Устройство биполярного транзистора, режимы включения

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано на рис.6.1.а.

Он представляет собой пластину германия или кремния или другого полупроводника, в котором созданы три области, с различной электро-проводимостью.

Транзисторы n-p-n типа имеют среднюю область с дырочной, а две крайние с электронной электропроводимостью (рис. 6.1.а). Транзисторы p-n-p типа обладают в крайних областях дырочной электропроводи-мостью, а средняя имеет электронную электропроводимость.

Средняя область биполярного транзистора называется базой, одна крайняя область эмиттером, другая коллектором. Таким образом, в биполярных транзисторах имеется два p – n перехода: эмиттерный – между базой и эмиттером и коллекторный – между базой и коллектором.

Расстояние между переходами очень малое – не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы биполярного транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы.

Рис. 6.1. Устройство транзистора n-p-n типа (а), условное графическое изображение транзисторов p-n-p и n-p-n типов (б).

Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно: , , . Напряжение между электродами обозначают двойными индексами, например, напряжение между базой и эмиттером - .

Биполярный транзистор может работать в трёх основных режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При активном режиме на эмиттерном переходе прямое напряжение, а на коллекторном переходе – обратное напряжение. Режим отсечки или запирания достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если на обеих переходах прямое напряжение, то биполярный транзистор работает в режиме насыщения. В некоторых случаях используется инверсное включение биполярного транзистора, когда эмиттерный переход включён в обратном направлении, а коллекторный переход – в прямом. Направ-ление токов в биполярном транзисторе при этом меняется на обратное по сравнению с прямым включением, а его параметры изменяются. Существуют симметричные транзисторы, которые имеют одинаковые параметры как при прямом, так и при инверсном включении. Активный режим является основным. Он используется в большинстве схем усилителей и генераторов. Режим отсечки и насыщения характерен для импульсной работы биполярного транзистора.

ЛЕКЦИИ 17 НАЗНАЧЕНИЕ, УСТРОЙСТВО,

ПРИНЦИП РАБОТЫ

БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА.

3. Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме включения.

В схемах с транзисторами образуется две цепи. Входная или управляющая цепь служит для управления работой транзистора. В выходной или управляемой цепи получаются усиленные колебания. Источники усиливаемых колебаний включаются во входную цепь, а в выходную, включается нагрузка.

Рассмотрим, как работает биполярный транзистор (для примера, n-p-n типа) в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений: и . Полярность источников такова, что на эмиттерном переходе прямое напряжение, а на коллек-торном переходе – обратное напряжение. Поэтому сопротивление эмит-терного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение состав-ляет единицы – десятки вольт. Напряжение между электродами связано зависимостью:

= + (6.1)

При работе биполярного транзистора в активном режиме обычно всегда , и следовательно .

ВАХ эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе. А ВАХ коллекторного перехода подобна характеристики диода при обратном токе.

Принцип работы биполярного транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т.е. участка база – эмиттер существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. Таким образом, напряжение база – эмиттер, т.е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью биполярного транзистора основано именно на этом явлении.

Рис. 5.2. Движение электронов и дырок в транзисторах n-p-n (а) и p-n-p (б) типов.

Физические процессы в биполярном транзисторе происходят следующим образом: при увеличении прямого напряжения входное напряжение база – эмиттер понижает потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно увеличивает ток через этот переход – ток эмиттера . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу, и, благодаря диффузии, проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая коллекторный ток Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объёмные заряды. Между ними возникает электри-ческое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллек-торный переход электронов, пришедших сюда из эмиттерного перехода, т.е. втягивает электроны в область коллекторного перехода (рис. 6.2).

Если толщина базы мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбини-ровать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В резуль-тате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившим-ся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счёт того, что из базы уходит в направ-лении к положительному полюсу источника такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остаётся в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока базы. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа существу-ет следующее соотношение:

= + (6.2)

Ток базы является бесполезным и даже вредным, желательно, чтобы ток базы был как можно меньше. Обычно ток базы составляет малую долю тока эмиттера, т.е. , а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать . Для того, чтобы ток базы был как можно меньше, базу делают очень тонкой и концентрация примесей в ней мала, которая, в свою очередь, определя-ется концентрацией дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов тока эмиттера, диффун-дируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличился бы за счёт электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то в этом переходе тока почти нет. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носителя заряда удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обеднённые этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т.е. электронов из p области и дырок из n области.

Но если под действием входного напряжения возникнет значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно возрастает ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением ток эмиттера в базе растёт концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток в коллектор-ном переходе, т.е. .

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область биполярного транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называется область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неоснов-ные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами. Но в биполярном транзисторе коллекторный переход делается со значительно большей площадью, чем эмиттерный переход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе значительно больше, чем мощность рассеиваемая в эмиттерном переходе. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно пониженной мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов одинаковые (транзисторы в этом случае называются симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Изменение напряжения на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при увеличении напряжения коллектор – база, так как тогда толщина коллекторного перехода увеличивается, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) – соединение кол-лекторного перехода и эмиттерного перехода. В этом случае область базы исчезает, и транзистор перестаёт нормально работать.

При возрастании инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т.е. увели-чение концентрации суммарного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммар-ного заряда неосновных носителей в базе. Этот процесс называется рассасыванием неосновных носителей заряда в базе.

В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзистора тока утечки, которое сопровождается рекомбинацией носи-телей в поверхностном слое областей транзистора.

Установим соотношения между токами в биполярном транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который называется управляемый коллекторный ток . Часть носителей инжектированных из эмиттера в базу рекомбинирует. Поэтому:

= α (6.3)

где α – коэффициент передачи тока эмиттера, который является основным параметром биполярного транзистора. При нормальных токах может иметь значения в пределах 0,950 ÷ 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе α к 1. Через коллекторный переход всегда проходит небольшой (не более единиц µА) неуправляемый обратный ток , называемый ещё начальным током коллектора. Он не управляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный ток коллектора равен:

= α + (6.4)

Во многих случаях и можно считать, что α . Если надо измерить , то делают это при оборванном проводе эмиттера.

Преобразуем выражение (6.4) так, чтобы выразить зависимость от . Заменим суммой токов + .

= α ( + ) + (6.5)

Решим это уравнение относительно и тогда получим:

= + (6.6)

Обозначим:

= β (6.7)

= (6.8)

и тогда получим:

= β + (6.9)

Здесь β – коэффициент передачи тока базы и составляет величину в несколько десятков.

Например, если α = 0,95, то

β = = = = 19,

а если α = 0,99, т.е. возрос на 0,04, то β = 99, т.е. увеличился в 5 с лишним раз.

Коэффициент передачи тока базы β является важным параметром биполярного транзистора. Если известен коэффициент β, то можно определить α по формуле:

α = (6.10)

α не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах α уменьшается, а при некотором среднем значении ток достигает максимума. В пределах рабочих значений тока эмиттера α изменяется мало (рис.6.3).

Рис. 6.3. График зависимости α от тока эмиттера.

β изменяется в зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, чем α. При некотором среднем значении тока эмиттера β имеет максимум, а при меньших и больших значениях, он снижается иногда в несколько раз. Зависимость β от тока эмиттера показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. График зависимости β от тока эмиттера.

Ток называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор в том случае, если ток базы равен нулю, т.е. оборван провод базы. составляет десятки и сотни µA и значительно превосходит начальный ток коллектора .

= и зная, что = β находим:

= (β + 1) , а так как β 1, то

= β (6.11)

Большой ток обусловлен тем, что некоторая часть приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном увеличении напряжения ток резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что, если , то при обрыве цепи базы, в транзисторе может наблюдаться лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (если в цепи коллектора нет ограничи-тельного резистора). В этом случае часть действующая на эмиттерном переходе увеличивает ток эмиттера и равный ему ток коллектора, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нём уменьшается и за счёт этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к ещё большему возрастанию тока. Чтобы этого не произошло, при эксплу-атации транзистора запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала включать питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но никак не наоборот.