Биполярные транзисторы

Структурная схема биполярного транзистора приведена на рис. 19.1. Переходы делят монокристалл полупроводника на три области, причем, средняя область имеет тип электропроводности, противоположный крайним. Среднюю область называют базой, одну из крайних областей – эмиттером, а другую – коллектором. В зависимости от типа электропроводимости крайних областей существуют транзисторы р-п-р или п-р-п структуры. На рис. 19.2, а приведено схемное обозначение транзистора р-п-р, а на рис. 19.2, б - транзистора п-р-п типа. В качестве исходного материала транзисторов чаще других используют германий или кремний.

При изготовлении транзисторов обязательно должны быть выполнены два условия:

1) толщина базы (расстояние между p -n переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;

2) концентрация примеси в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе.

В зависимости от напряжения на р-п переходах транзистор может работать в одном из трех режимов:

– в активном режиме - когда на переходе эмиттер – база напряжение прямое, а на переходе база – коллектор – обратное;

– в режиме отсечки (запирания) - когда на оба перехода поданы обратные напряжения;

– в режиме насыщения - когда на оба перехода поданы прямые напряжения.

Схема включения транзистора в активный режим работы приведена на рис. 19.3. Элементы Е_б, R_б и p-n переход база – эмиттер образуют входную, а элементы Е_к, R_к и переход база – коллектор – выходную цепь транзистора. При таком включении эмиттер является общей точкой входной и выходной цепей, а схему рис. 19.3 называют схемой с общим эмиттером. ЭДС Е_б является управляющей, а Е_к – источником питания.

Внешние источники включают так, чтобы напряжение на переходе база – эмиттер было прямое (плюс источника Е подан на базу, минус на эмиттер), а на переходе коллектор – база обратное (плюс источника Е_К подан на коллектор, минус – на эмиттер). Обычно Е_К >> Е, поэтому

. (19.1)

Ток электронов, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь и источник Е_к, образуя ток коллектора I_к. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. Эта часть уменьшает ток коллектора на величину a, т.е.

I_к = a I_э, (19.2)

где a = 0,9 ¸ 0,99 - коэффициент передачи тока эмиттера.

Заряд рекомбинировавших электронов остается в базе. Для компенсации этого заряда из источника Е_б в базу поступают дырки. Поэтому ток базы представляет собой ток рекомбинации:

. (19.3)

30 продолжение Ток коллектора, определяемый выражением (19.2), зависит от напряжения U_бэ и называется управляемым. Кроме управляемого тока, через закрытый коллекторный переход протекает обратный ток I_кбо, обусловленный дрейфом собственных носителей заряда. Поэтому

, а .

Выразим ток эмиттера из последнего выражения:

Подставляя это значение в выражение для тока коллектора, приходим к выражению

, (19.4)

где b - коэффициент передачи тока базы >> 1, I_кэо – обратный ток транзистора.

Так как I_кэо обычно пренебрежимо мал, справедливо приближенное равенство:

. (19.5)

Выражение (19.5) показывает, что если ток базы изменить на величину I_б, то ток коллектора изменится на величину b· D I_б, т.е. в b раз большую. В этом и заключается суть усиления.

К основным параметрам биполярных транзисторов относятся средние и максимально допустимые значения токов коллектора и базы, максимальные значения напряжений U_кэ, U_бэ, U_кб, коэффициент передачи тока базы b, максимально допустимые частота и мощность и т.п.

Каждый транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами выходных и входных характеристик (рис. 19.4, а и 19.4, б соответственно). Выходной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость тока коллектора от напряжения U_кэ, т.е. I_к = j (U_кэ), снятая при постоянном токе базы I_б = const.

Входной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость тока базы от напряжения при постоянном напряжении . При оба перехода в транзисторе работают под прямым напряжением. Токи коллектора и эмиттера складываются в базе. Входная характеристика транзистора, в этом случае, представляет собой ВАХ двух p-n переходов, включенных параллельно.

При U_кэ > U_кэн коллекторный переход закрывается. Транзистор переходит в активный режим работы. Ток базы в этом режиме определяется выражением (19.3). Поэтому входная характеристика транзистора строится как прямая ветвь ВАХ одного p-n перехода эмиттер – база.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Величина тока полевого транзистора управляется электрическим полем закрытого р-n перехода. Он практически не потребляет ток из входной цепи. ПТ разделяются на два типа: с р-n переходом и МДП-типа (Ме–диэлектрик–полупроводник).

Слой полупроводника с проводимостью р –типа – проводящий канал, имеет 2 выхода во внешнюю цепь: И – исток, С – сток. Слои полупроводника с проводимостью n –типа соединены между собой и имеют один вывод – затвор З. Когда управляющее напряжение U_зи=0, по каналу течет ток, значение которого зависит от напряжения (рис.19.7, г). Напряж-е равномерно распределено, вызывает обратное смещение р-n переходов. С увеличением область двойного запирающего слоя увеличивается, сужая проводящий канал и увеличивая его сопротивл-е. Поэтому зависимость имеет нелинейный характер. При некотором значении границы р-n перехода смыкаются и рост тока I_с, при дальнейшем увеличении , прекращается. Зависимость переходит на пологий участок. В случае, когда U_си постоянно и находится в области пологого участка, увеличение положительного напряжения U_зи приводит к расширению запирающего слоя p–n перехода и ток уменьшается. Значение , при котором I_C = 0 – напряжение отсечки.

Структура полевого транзистора МДП–типа (рис.19.8, а). Электрод затвора изолирован от полупроводникового канала слоем диэлектрика из двуокиси кремния SiO₂. Это причина еще одного названия – полевой транзистор с изолированным затвором (ПТИЗ). Если полупроводниковый канал обогащен носителями зарядов, он называется встроенным, если обеднен – индуцированным. Принцип работы ПТИЗ со встроенным каналом аналогичен принципу работы полевого транзистора с p–n переходом. Работа транзистора с индуцированным каналом: Если на затвор не подано напряжение, то между И и С расположены два встречно включенных p–n перехода. При поступлении положительного напряжения U_з электроны из слоя p дрейфуют к затвору и индуцируют проводящий канал между И и С. Т.к. проводимость канала может быть электронной или дырочной, возможны четыре типа ПТИЗ.

К основным параметрам ПТИЗ относятся крутизна входной характеристики S = (dI_c/dU_з) при U_c = const, дифференциальное сопротивление стока на участке насыщения r_c, допустимый ток стока I_{с макс}, допустимое напряжение U_{с макс}, допустимая мощность Р_{с макс}. Высокое входное сопротивление и большое значение допустимой рабочей частоты составляют основное преимущество ПТИЗ.

32. ТИРИСТОРЫ Тиристоры имеют третий вывод (управляющий электрод УЭ), подключенный к одной из баз. За счет тока базы (тока управления) коэф-т передачи тока эмиттера α₁ или α₃ увеличивается, происходит включение тиристора при меньшем напряжении U_а. В зависимости от УЭ тиристоры: с катодным управлением; с анодным управлением (рис.20.2, а, б). ВАХ тиристора (рис.20.2, в): семейство кривых, снятых при различном токе управления.

Баланс токов тиристора с учетом того, что через переход П₃ проходит сумма токов основного и управляющего (рис.20.2 а): (1) Решая относительно I_э,получим (2)

Из (2) очевидно, что ток эмиттера зависит от значений α₁ и α₃ и от управляющего тока I_у. Для закрытого состояния α₁+α₃<1. Условие переключения тиристора в открытое состояние можно получить дифференцированием (2) по напряжению: (3) С ростом I_у увеличивается α₃, поэтому переключение тиристора происходит при меньшем значении U_а, а ВАХ располагаются внутри предшествующих, вплоть до полного исчезновения участка с отрицательным сопротивлением.

Схема включения тиристора и график нарастания его тока – рис. 20.3. Весь процесс включения разделяют на три интервала: задержки t_з, нарастания t_н, установления t_уст. Интервал задержки расположен от момента подачи управляющего импульса до момента увеличения тока тиристора до значения 0,1·I_уст. На интервале нарастания ток тиристора изменяется от 0,1·I_уст до 0,9·I_уст. По окончании интервала тиристор практически включен, однако его ток продолжает увеличиваться до I_уст еще некоторое время – интервал установления. Мгновенная мощность потерь, возникающих при включении тиристора, определяется известным выражением: . После включения тиристора УЭ теряет управляющие свойства. Основные параметры тиристоров: