Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор (БТ) – полупроводниковый прибор с двумя p–n – переходами, в котором толщина базы меньше длины свободного пробега неосновных носителей в ней, что гарантирует достижение эмиттированными носителями коллектора. Устройство n–p–n транзистора и его условное обозначение приведены на рис. 2.6 а,б соответственно. В зависимости от полярности напряжения на электродах транзистора различают четыре основных режима его работы: линейный (активный) (E_э <0; E_к >0), когда эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный – в обратном направлении; насыщения (E_э <0; E_к <0), когда оба перехода смещены в прямом направлении; отсечки (E_э >0; E_к >0), когда оба перехода смещены в обратном направлении; инверсный активный (E_э >0, E_к <0), когда эмиттер и коллектор меняются местами. Ввиду несимметричности структуры реальных транзисторов инверсный активный режим практически не используется.

В линейном режиме (при открытом переходе база–эмиттер) происходит инжекция носителей в область базы, которые на пути свободного пробега достигают коллектора, образуя его ток, который связан с напряжением U_БЭ уравнением Эберса–Молла:

                                          ,                                    (2.6)

где I ₀ – ток коллектора при его обратном смещении.

Анализ выходных и входной ВАХ БТ (рис. 2.6 в,г) показывает, что в линейной области D I_K ~ D I_Б, I_K практически не зависит от U_КЭ, а U_БЭ не зависит от U_КЭ и слабо зависит от I_Б, откуда при некотором упрощении следует его схема замещения (рис. 2.7 а) при работе в усилительном каскаде (рис. 2.7 б) по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Из этой модели легко рассчитать коэффициент усиления схемы по напряжению:

.

Для более точных расчетов используются уточненные схемы замещения (эквивалентные схемы) БТ, среди которых наиболее популярной является Т – образная (рис. 2.8), где указанные параметры определяют как статические, так и динамические свойства транзисторов. При этом к статическим параметрам относятся:

 –                                                                        (2.7)

дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (при T = 300 K, I_Э = 1 мА; r_Э =25 Ом); С_Э – барьерная емкость эмиттерного перехода; –                                                                                                               (2.8)

коэффициент обратной связи по напряжению (~10^-4), учитывающий модуляцию ширины базы (эффект Эрли); r_Б – объемное сопротивление базы (~100…200 Ом); С_К – барьерная емкость коллекторного перехода;

 –                                                                    (2.9)

дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (~10⁶ Ом);

 –                                                                               (2.10)

дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока в нормальном активном режиме. В зависимости от толщины базы a = 0,95…0,99.

Динамическими параметрами БТ являются:

в ключевом режиме – его временные характеристики (рис. 2.9), а в усилительном режиме – его амплитудночастотная (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики, определяемые комплексной формой зависимости коэффициентов усиления по току a и b от частоты

                                                 (2.11)

где a ₀ = a (w =0), w_a – предельная частота a в схеме с общей базой (ОБ), и

                                     (2.12)

где b ₀ = b (w =0), w_b – предельная частота b в схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Заметим, что в режиме малого сигнала основными параметрами БТ являются α, β, r_Э, r_Б, r_К, C_ЭБ, C_БК. При этом в зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) и величин сопротивлений генератора и нагрузки (R_Г, R_H) БТ можно рассматривать в качестве одного из типов управляемых источников (рис. 2.10): источника напряжения, управляемого напряжением (ИНУН), источника напряжения, управляемого током (ИНУТ), источника тока, управляемого напряжением (ИТУН) или источника тока, управляемого током (ИТУТ).

По электрическим и эксплуатационным параметрам БТ разделяются на маломощные (до 0,3 Вт), средней мощности (0,3…3 Вт) и мощные (свыше 3 Вт), по рабочей частоте – на низкочастотные (f_гр ≤ 10 МГц), средней частоты (f_гр = 10…100 МГц) и высокочастотные (выше 100 МГц). Эти особенности (с учетом материала полупроводника) находят свое отражение в маркировке БТ, которая состоит из букв и цифр: первая буква (цифра) Г или 1 – германиевые, К или 2 – кремниевые, А или 3 – арсенидгаллиевые; вторая буква Т – транзистор; следующие цифры 1, 2, … 9 – группа по мощности и частоте; две последние цифры – порядковый номер разработки. Например, КТ201…299 – кремниевые транзисторы малой мощности средней частоты. Если в разработке у идентичных транзисторов имеются различия в некоторых параметрах, то в конце маркировки ставятся буквы А, Б, В, Г, Д, ….