Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три вывода.

Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока.

Чередование участков с различной проводимостью двух типов p-n-p и n-p-n.

Одна из крайних областей, являющаяся источником носителей заряда, называется эмиттером (Э), а прилегающий к ней переход – эмиттерным. Другая крайняя область называется коллектором (К), а прилегающий к ней p-n переход – коллекторным. Средняя область называется базой (Б) транзистора.

Эмиттерная область отличается от коллекторной тем, что в ней концентрация примесей намного больше, чем в коллекторной. Толщина базы очень мала (1-20 мкм) и концентрация носителей заряда немного меньше, чем в Э – это главная особенность конструкции транзистора.

Транзисторы n-p-n типа распространены больше т.к. имеют лучше параметры за счет того, что основную роль в них играют электроны, обладающие подвижностью в 2-3 раза большую, чем дырки.

Принцип работы транзистора

При включении коллекторного перехода на обратное напряжение он будет закрыт и через коллектор будет течь небольшой обратный ток коллектора I_кбо. Ток I_кбо протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю.

К

Э

Б

При передаче не эмиттерный переход прямого напряжения этот переход будет открыт, появится ток эмиттера i_э и на базу будут попадать основные носители заряда эмиттера (электроны), которые для базы являются неосновными. Электрическое поле закрытого коллекторного перехода является ускоряющим для этих носителей, и большинство их достигает коллектора, т.е. появится ток коллектора i_к.

Только малая доля электронов рекомбинируют в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется током базы i_б ­, который будет много меньше i_э.

Из рисунка следует:

i_э = i_к + i_б

в этом уравнении i_э << i_э, i_э << i_э, i_э ≈ i_э.

Соотношение между токами в транзисторе характеризуются двумя статическими параметрами:

- коэффициентом передачи тока эмиттера α_ст= i_к /i_э

- коэффициентом передачи тока базы β_ст= i_к /i_б

Т.е. для постоянных токов в настоящее время β обозначают h_21э­­­­ – коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ; α обозначают h_21б – коэффициент передачи тока в схеме с ОБ.

i_к /α= i_к + i_б, откуда β=α/(1-α) или если известно, то α=β/(1+β)

Если учесть обратный ток коллектора, то более точное выражения имеет вид

i_к = i_э / α + I_кбо

Значение этих коэффициентов зависят от конструкции транзисторов. Для большинства маломощных транзисторов β=20…200; α=0,95…0,995.

Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано на зависимости тока коллектора от величины напряжения, приложенного к участку эмиттер-база.

При отсутствии входного переменного напряжения U_вх в цепи эмиттера протекает ток I_э, а в цепи коллектора – I_к, почти равный по величине I_э. Проходя по сопротивлению R_н, I_к создает на нем падение напряжения U_н=I_кR_н. При подаче на вход транзистора последовательно с напряжением E₁ переменного напряжения U_вх (момент времени t₁) эмиттерный ток становится пульсирующим. Коллекторный ток, проходя по сопротивлению нагрузки R_н, создает на нем пульсирующее напряжение по форме, повторяющее U_вх. Переменная составляющая выделяется с помощью разделительного конденсатора C_p и подается на выход в виде U_вых.

Коэффициент усиления по напряжению

K_U=∆U_вых /∆U_вх= ∆ I_к R_н / ∆ I_э r_э=R_н /r_э

По закону Ома ∆ U_вых=∆I_кR_н, а по II закону Кирхгофа ∆ U_вх= ∆ U_бэ+ ∆ U_э, т.к. ∆ U_бэ =0 (U_бэ=const=0,6 В), то ∆ U_вх =∆ U_э =∆ I_эr_э, где r_э – сопротивление эмиттера.

Схемы включения биполярного транзистора

Обычно транзистор включают таким образом, что один из его электродов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. Во входную цепь подсоединяется источник входного сигнала, а к выходной цепи подсоединяется нагрузка.

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК)

Схема с ОБ

Входной сигнал прикладывается к выводам Э и Б, а источник питания коллектора и сопротивления нагрузки R_н включены между выводами коллектора и базы.

Особенности: малое входное сопротивление (эмиттер) – единицы Ом; большое выходное сопротивление – сотни килом; наибольшее усиление по напряжению (до 1000). Низкое входное сопротивления – существенный недостаток, т.к. оно оказывает шунтирующее влияние на сопротивления нагрузки предыдущего каскада и резко снимает усиления этого каскада по напряжению и мощности.

Т.к. выходным током является ток коллектора i_к, а входным ток эмиттера, то коэффициент усиления по току K_I=0,95<1 обладает наибольшим усилением по напряжению (до 1000).

Схема с ОЭ

Входной сигнал прикладывается к выводам базы и эмиттере, а сопротивление нагрузки между выводами эмиттера и коллектора. Эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей.

Особенности: входным током является малый по величине ток базы i_б, поэтому входное сопротивление составляет сотни Ом. Выходное сопротивление также достаточно велико (десятки кОм).

Коэффициент усиления по току

K_I= h_21э­­­­= ∆ I_к / ∆ I_б при i_к=const и U_кэ=const (более 10)

Коэффициент усиления по напряжению также велик (более 100). Схема с ОЭ обладает самым большим коэффициентом усиления по мощности K_p = K_IK_U = h_21э­­­­K_U (несколько тысяч).

Схема с ОК

Входным током, является ток, а выходным током, протекающим по сопротивлению нагрузки – ток эмиттера. Поэтому коэффициент усиления по току для данной схемы

K_I­= ∆ I_э / ∆ I_б­= ∆ I_э /( ∆ I_э– ∆ I_к)=1/(1– ∆ I_к / ∆ I_э)=1 /(1-α)

или

K_I­= ∆ I_э / ∆ I_б­= ∆ I_к+ ∆ I_б / ∆ I_б=1+ h_21э­­­­ (10÷100)

Коэффициент усиления по напряжению

K_U=∆U_вых /∆U_вх=∆U_вх ∆ U_бэ /∆U_вх=0,9…0,95<1

Входное сопротивление очень велико (десятки и сотни кОм), а выходное очень мало – десятки или сотни Ом. Данная схема служит в основном для согласования сопротивлений между отдельными каскадами, между высокоомным выходом и низкоомным входом.

Характеристики биполярных транзисторов

Различают: статические и динамические характеристики

Статический режим.

В транзисторах всегда взаимно связаны четыре величины: входные и выходные токи и напряжения. Одним семейством характеристик эту зависимость описать нельзя. Поэтому пользуются двумя семействами статических характеристик. Наибольшее распространение получили входное и выходные статические характеристики для двух схем включения транзистора ­– ОБ и ОЭ.

Рассмотрим наиболее употребляемые характеристики для включения транзистора по схеме с ОЭ.

Входной характеристикой называют зависимость тока базы i_б от напряжения U_б при заданном значении напряжения U_кэ, имеющая зависимость вида:

i_б =f(U_бэ)|_{Uкэ =const}

Типичные входные характеристики (КТ603а) имеют вид.

Входные характеристики аналогичны ВАХ p-n перехода для прямого тока, причем при увеличении U_кэ ток I_б уменьшается. С увеличением U_кэ растет напряжение, приложенное к коллекторному переходу в обратном направлении и уменьшается вероятность рекомбинации носителей в базе (Эффект Эрли), т.к. почти все носители быстро втягиваются в коллектор.

Входные характеристики часто характеризуют дифференциальным сопротивлением r_диф.

r_диф =dU_бэ/d i_б| _{iб-заданный, Uкэ =const}

Выходной характеристикой называют зависимость тока коллектора i_к от напряжения U_кэ при заданном токе базы i_б, т.е. зависимость вида

i_к =f(U_кэ)| _{iб =const}

Ход выходных характеристик объясняется следующим. Напряжение, приложенное к коллекторному переходу (U_кб), равно U_кб=U_кэ – U_бэ. Поэтому при U_кэ < U_бэ напряжение на коллекторном переходе оказывается включенным в прямом направлении. Это приводит к тому, что крутизна характеристик на начальном участке от U_кэ = 0 до U_кэ.н ≈U_бэ велика. U_кэ.н – напряжение насыщения (0,1÷1В).

На участке U_кэ>U_кэ.н крутизна характеристик уменьшается, они идут почти параллельно оси абсцисс, т.е. значение тока i_к практически не зависит от напряжения U_кэ.

Положение каждой из выходных характеристик зависит главным образом от тока базы.

В первом приближении для описания выходных характеристик можно записать:

i_к =β_стi_б + I’_кбо, где I’_кбо =I_кбо(1+β_ст)

Наклон характеристик объясняется эффектом Эрли. Для учета наклона выражения имеет вид:

i_к =β_стi_б + I’_кбо+(1/r’_k ) U_кэ,

где r’_k= r_k /(1+ β_ст), r_k= dU_кб / dI_к | _{iэ =const, Uкб –заданное}

Часто пользуются дифференциальным (динамическим) коэффициентом передачи базового тока (для малых сигналов)

(h_21э­­­­)β= d i_к /d i_б| _{Uкэ =const, iк –заданное}

На пологом участке выходных характеристик транзистор может характеризоваться как управляемый источник тока (ток I_к можно изменять путем изменения тока I_б, а следовательно и U_бэ).

Динамический режим

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим. В этом режиме токи и напряжения на электродах транзистора не остаются постоянными, а непрерывно изменяются под действием входного сигнала.

Напряжение на коллекторном переходе ко второму закону Кирхгофа:

U_кэ=E_k – I_kR_н

Это выражение представляет собой уравнение динамического режима для выходной цепи. Изменения U_вх вызывают соответствующие изменения I_б, а следовательно и в результате чего изменяется U_кэ.

На основании уравнения динамического режима строится динамическая характеристика (нагрузочная прямая) ее положение на статических характеристиках однозначно определяется напряжением источника питания и сопротивлением резистора нагрузки R_н.

Она строится по двум точкам:

точка В (х.х.) I_k=0, U_кэ= E_k

точка А (к.з.) U_кэ=0, I_k= E_k / R_н

Все промежуточные положения точек на линии нагрузки характеризуют все возможные напряжения и токи в соответствующих цепях транзистора с учетом сопротивления нагрузки.

В усилителях прежде, чем подавать на вход сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы, так называемой статический режим или режим работы по постоянному току.

Начальный режим характеризуется положением так называемой начальной рабочей точки с координатами U_кэo и I_ko на нагрузочной прямой.

Для получения наименьших искажений выходного сигнала и наибольшего размаха рабочую точку P следует располагать на середине нагрузочной прямой.

Также напряжения

U_кэ ≥U_кэ.н и U_кэ ≤U_кэ (I_бo)

Для предотвращения перегрева коллекторного перехода необходимо, чтобы выделяемая на нем мощность не превышала некоторого максимального значения.

P_k = I_kU_кэ ≤ P_{k max}, I_k=P_{k max} / U_кэ – гипербола

В целях увеличения допустимой мощности для улучшения теплоотвода коллектор соединяют с металлическим корпусом, а сам транзистор монтируют на специальном радиаторе.

Кроме того, во избежание электрического пробоя коллекторного перехода, необходимо:

U_кэ ≤U_кэ.max

Во избежание теплового пробоя (перегрева)

I_k ≤ I_{k max}

Область, выделенная этими тремя ограничивающими кривыми, является рабочей областью характеристик транзистора.

Режим работы биполярного транзистора

Существует 4 режима работы:

1. Активный режим (режим усиления сигнала) – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный переход – в обратном.

2. Режим отсечки – оба перехода транзистора закрыты, т.е. смещены в обратном направлении. Существенного тока через транзистор нет I_k ≈I_ko=0.

3. Режим насыщения – два p-n перехода смещены в прямом направлении (открыты) I_k = I_{k max} = E_k / R_н, U_кэ = U_кэ.н = U_{кэ min} ≈ 0

4. Инверсный режим – эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный – в прямом.

Схема замещения транзистора в схеме с ОЭ

При расчете постоянных и переменных составляющих транзистор заменяется линейной схемой замещения. Входные и выходные характеристики транзистора считаются линейными (показаны пунктиром).

Тогда эквивалентная схема транзистора будет иметь вид:

Резистор r_б – сопротивление базового слоя (r_б ≈10³ Ом)

r_э – сопротивление эмиттерного слоя (r_э≈100 Ом)

Элементы эквивалентной схемы соответствует полученному ранее выражению.

i_к =β_стI_б + I’_кбо+(1/r’_k) U_кэ, (r’_k ≈10⁵Ом)

Для расчета переменных составляющих часто пользуются следующей схемой замещения:

Приращения тока коллектора

∆I_к =β ∆I_б + (1/r’_k) ∆U_кэ .

Приращение тока базы

∆I_б = ∆U_кэ / r_вх.э.,

где r_вх.э. – динамическое входное сопротивление транзистора с ОЭ, определяемое наклоном входной характеристики транзистора при U_кэ ≥U_кэ.н .

Транзистор при работе в активном режиме часто представляют в виде линейного четырехполюсника.

Транзистор в этом случае описывают так называемыми вторичными параметрами, которые для различных схем включения T_p имеют различные значения.

Они характеризуют связь между переменными составляющими напряжения и токов на входе (i₁ и U₁) и на выходе (i₂ и U₂) транзистора. Наибольшее распространение получила система h –параметров.

;

U₁ = h₁₁ i₁ + h₁₂ U₂ ;

i₂ = h₂₁ i₁ + h₂₂ U₂ .

Здесь i₁=∆I_б; U₁=∆U_эб; i₂=∆I_к; U₂=∆U_кэ;

h –параметры определяют опытным путем. Для схемы с ОЭ.

h₁₁ = U₁ / i₁ |_U2=0 – входное сопротивление транзистора для переменного сигнала (при к.з. выхода);

h₁₂ = U₁ / U₂ | _i1=0 – коэффициент обратной связи по напряжению (при х.х. i₁=0);

h₂₁ = i₂ / i₁ |_U2=0 – коэффициент передачи тока;

h₂₂ = i₂ / U₂ | _i1=0 – выходная проводимость.

Соотношение между параметрами схем замещения следующее:

r_вх.э.= h_11э= r_б + r_э(1+ β);

h_21э­­­­= β;

r’_k=1/ h_22э.­­­­

Для схемы с ОЭ добавляется индекс э, с ОБ — б.

Наиболее важными параметрами транзисторов также являются:

I_кбо – обратный ток коллектора — ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении и разомкнутом выводе эмиттера при t=20…25⁰C, I_кбо=n*10 ^–6 А.

f_{h21э­­­­} – предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ — частота, при которой h_21э­­­­ уменьшается в раз по сравнению с его низкочастотным значением.

С_k – емкость коллекторного перехода — емкость между выводами Б–К при заданном обратном напряжении.

U_кэ.нас. – напряжение насыщения коллектор–эмиттер.

I_k.max. – максимально допустимый постоянный (импульсный) ток коллектора.

U_кэ.max. – максимально допустимое постоянное напряжение коллектор–эмиттер.

P_k.max – максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора.

Кроме того ограничения накладываются на обратные напряжения, прикладываемые к коллекторному и эмиттерному переходам, диапазон рабочих температур окружающей среды и не максимальные значения токов в цепях электродов транзисторов.

Система обозначений типов транзисторов

В основу положен буквенно–цифровой код

Первый элемент — буква (цифра), обозначающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен транзистор

r(1) – германий; k(2) – кремний; A(3) – арсенид галлия; И(4) – соединение индия.

Второй элемент — буква, определяет подкласс транзисторов

Т – биполярные, П – полевые.

Третий элемент — число, обозначающее основные функциональные возможности транзисторов:

· для транзисторов малой мощности (P_k.max ≤ 0,3Вт)

1 – с f₂₁ не более 3 МГц;

2 – с f₂₁ =3÷30 МГц;

3 – с f₂₁ >30 МГц;

· для транзисторов средней мощности (P_k.max ≤ 0,3…1,5Вт)

4 – с f₂₁ не более 3 МГц;

5 – с f₂₁ =3÷30 МГц;

6 – с f₂₁ >30 МГц;

· для транзисторов большой мощности (P_k.max >1,5Вт)

7 – с f₂₁ не более 3 МГц;

8 – с f₂₁ =3÷30 МГц;

9 – с f₂₁ >30 МГц.

Четвертый элемент — цифра, обозначающая порядковый номер разработки технологического типа транзистора.

Пятый элемент — буква, условно определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.