Биполярные транзисторы. Принцип действия. Биполярные транзисторы делятся на две большие группы: типа n-р-n и р-п-р

Принцип действия. Биполярные транзисторы делятся на две большие группы: типа n-р-n и р-п-р. Под n понимается электронная проводимость материала, под р - дырочная. Мощные биполярные транзисторы являются, как правило, типа п-р-п.

В основе работы биполярного транзистора типа n-р-n лежат три явления: инжекция электронов из эмиттера в область базы, их накопление в базовой области (по отношению к проводимости типа р электроны становятся неосновными носителями заряда) и перенос электронов под действием внешнего электрического поля из базы к коллектору (рис. 7.1,а). Здесь имеют место два ограничения, не позволяющие увеличивать мощность прибора при одновременном повышении частоты сигнала. Первое ограничение связано с предельной скоростью движения электронов в полупроводнике. Так, для кремния эта скорость, зависящая от напряженности электрического поля, не превышает см/с (рис. 7.1,б). Второе ограничение связано с предельным значением напряженности электрического поля , при превышении которого наступает электрический пробой. У кремния В/с.

Рис. 7.1. Зависимость скорости движения электронов в полупроводнике от напряженности электрического поля.

Предельная или граничная частота усиления транзистора непосредственно связана со временем переноса носителей заряда через базовую область толщиной W (рис. 7.1,а):

, (7.1)

где - время переноса носителей через базу.

Для напряженности электрического поля запишем (7.1)

, (7.2)

где - напряжение коллектор-база.

Совместно решив уравнения (7.1), (7.2) с учетом указанных значений и и приняв Е=0,6 , получим

, (7.3)

которое определяет предельные возможности биполярного транзистора. Согласно (7.3) чем выше частота, тем меньше должно быть напряжение питания, а следовательно, и мощность биполярного транзистора. Так, при напряжении питания коллектора транзистора =20 В его граничная частота усиления составит =5 ГГц.

С помощью специальной, очень сложной технологии при создании СВЧ транзисторов удалось приблизиться к теоретическому пределу, определяемому соотношением (7.3). В качестве примера укажем, что в транзисторе =400 МГц толщина базовой области W=0,7 мкм; при =1...2 ГГц W= 0,2...0,3 мкм. Помимо двух названных (предельная скорость переноса носителей заряда и допустимая напряженность электрического поля), есть еще два ограничительных фактора, не позволяющих увеличить мощность транзистора: допустимая температура р-n-перехода (у кремния не выше ) и эффект оттеснения. Сущность последнего сводится к тому, что с возрастанием плотности тока перенос носителей заряда оттесняется ко внешнему краю эмиттера. В результате значение тока определяется периметром, а не площадью эмиттера, что не позволяет увеличивать мощность с повышением частоты. Последнее ограничение удалось преодолеть путем создания так называемых многоэмиттерных структур, в которых существенно увеличен периметр эмиттера без увеличения его площади. Одна из таких структур, называемая полосковой, показана на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Полосковая многоэмиттерная структура р-n-перехода

В этой структуре эмиттер 1 имеет гребенчатую структуру. Такую же форму имеют контактные площадки выводов базы 2. Коллектор в приборе общий. Общее число полосков-эмиттеров в приборе может достигать нескольких десятков. В качестве примера приведем параметры типичного СВЧ транзистора полоскового типа: размеры одного эмиттерного полоска 16х240 мкм; число полосков-эмиттеров 18; площадь коллектора 0,22 ; общий периметр всех эмиттеров 8 мм, площадь 0,065 . Для повышения выходной мощности СВЧ транзистора на одном кристалле располагают несколько структур, а в одном корпусе размещают несколько кристаллов. Тепло, рассеиваемое в кристалле транзистора, необходимо отвести на его корпус. При этом обеспечивается электрическая изоляция электродов относительно корпуса прибора, для чего используется бериллиевая керамика - диэлектрик с высокой теплопроводностью (такой же, как у латуни). В зависимости от схемы применения в мощных транзисторах с корпусом соединяется эмиттер или база. Внешний вид двух типов транзисторов показан на рис. 7.3. Работа транзистора описывается большим числом характеристик и параметров, которые позволяют произвести расчет режима работы прибора в каскадах различного назначения и установить правильные условия его эксплуатации. Рассмотрим наиболее важные характеристики и параметры мощных транзисторов с рассеиваемой мощностью более 3...5 Вт.

Рис. 7.3. Внешний вид двух типов транзисторов.

Cтатические характеристики биполярного транзистора. При схеме транзистора с общим эмиттером различают два вида семейств характеристик: выходные - зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и тока базы (рис. 7.4,а) и входные - зависимости тока базы от напряжения эмиттер-база и коллектор-эмиттер (рис. 7.4,б). У кремниевых транзисторов напряжение отсечки =0,5...0,7 В.

Рис. 7.4. Статические характеристики биполярного транзистора

При изменении температуры происходит смещение характеристик. Так, входная характеристика смещается влево при повышении температуры и вправо с ее понижением. Биполярный транзистор представляет собой структуру из двух р-n-переходов (см. рис. 7.1). Сначала рассмотрим отдельно взятый р-п-переход, статическая характеристика которого описывается функцией

, (7.4)

где - обратный ток, или ток насыщения; - напряжение, приложенное к р-n-переходу; =25,6 мВ - температурный потенциал. Статическая характеристика р-n-перехода (7.4), приведенная на рис. 7.5, имеет два участка: один соответствует открытому р-n-переходу при приложении к нему прямого напряжения, другой - закрытому р-n-переходу при обратном напряжении. Обратное напряжение, превышающее по абсолютной величине напряжение , приводит к электрическому пробою р-n-перехода. В реальной модели значение тока ограничено сопротивлением активных потерь р-n-перехода. Закрытый р-n-переход характеризуется барьерной, или зарядовой, емкостью

, (7.5)

где - начальная емкость р-n-перехода; и - обратное напряжение, приложенное к р-n-переходу; - контактная разность потенциалов ( - 0,5...0,8 В - для кремния); - коэффициент перехода, зависящий от состава примесей в переходе (обычно =0,5).

Рис. 7.5. Статическая характеристика р-n-перехода

Таблица 7.2

Коллекторный переход - вид включения	Эмиттерный переход - вид включения	Область на характеристиках
Обратное Обратное Прямое Прямое	Обратное Прямое Прямое Обратное	Отсечки (1) Активная (2) Насыщения (3) Инверсная (4)

График функции (7.5) приведен на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Зависимость зарядовой емкости от обратного напряжения.

Модель транзистора, как структура из двух р-n-переходов, может быть представлена в виде, показанном на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Модель транзистора из двух р-п-переходов.

Каждый из р-n-переходов может находиться в открытом или закрытом состоянии в зависимости от приложенного к нему напряжения - прямого или обратного. Таким образом, в зависимости от того, какое напряжение приложено к эмиттерному и коллекторному переходу - прямое или обратное, могут быть четыре состояния биполярного транзистора, показанные в табл. 7.2, и соответственно четыре области на плоскости его статических характеристик: отсечки (1), активная (2), насыщения (3), инверсная (4) (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Четыре состояния биполярного транзистора

Область насыщения (3) характеризуется сопротивлением насыщения: . При обратном напряжении, приложенном к р-n-переходу, превышающем обратное напряжение , происходит электрический пробой, сопровождаемый резким увеличением носителей заряда - их лавинному умножению. Эта область обозначена на рис. 7.8 цифрой 5. Заход в нее недопустим, поскольку пробой р-n-перехода является необратимым явлением, приводящим к выходу прибора из строя. Зарядовая модель транзистора в схеме с общей базой. Процессы, протекающие в теоретической модели транзистора при работе в активной области в схеме с общей базой (рис. 7.9,а; ЭЦ - электрическая цепь), могут быть описаны двумя уравнениями:

; (7.6) ; (7.7)

где - заряд базы; - среднее время жизни неосновных носителей заряда в области базы (в транзисторе типа n-р-n ими являются электроны); - ток эквивалентного генератора в коллекторной цепи; - время пролета носителями заряда базовой области, определяемое согласно (7.1).

Рис. 7.9. Зарядовая модель транзистора в схеме с общей базой.

Уравнение (7.6) определяет накопление заряда в базовой области, (7.7) - их дальнейший перенос к коллектору под действием внешнего электрического поля. Для составления эквивалентной схемы транзистора рассмотрим цепь из параллельно соединенных сопротивления R и емкости С (рис. 7.10), для которой согласно правилам электротехники запишем:

; ; ; .

Из последнего выражения получим

, (7.8)

где Q - заряд, накапливаемый емкостью; =CR - постоянная времени цепи.

Сравнивая уравнения (7.6) и (7.8), устанавливаем их полное совпадение, что позволяет сделать следующий вывод: эквивалентная схема открытого р-n-перехода есть параллельная цепь из сопротивления и емкости , произведение которых и есть постоянная времени , где , называются диффузионной емкостью или сопротивлением открытого эмиттерного перехода. Сказанное позволяет от схемы рис. 7.9,а перейти к эквивалентной схеме рис. 7.9,б.

Рис. 7.10. Рис. 7.11.

Совместно решая уравнения (7.6), (7.7), получим дифференциальное уравнение, связывающее ток на выходе транзистора (ток коллектора ) с входным током (ток эмиттера ):

, (7.9)

где - коэффициент передачи тока на низкой частоте в схеме с общей базой (); - граничная частота, определяемая согласно (7.1); - граничная частота в схеме с общей базой.

В операционной форме уравнение (7.9) примет вид

. (7.10)

Формальной заменой р на из формулы (7.10) получим зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общей базой от частоты:

. (7.11)

Для модуля той же величины из (7.11) получим

. (7.12)

График функции (7.12) построен на рис. 7.11. Из него следует, что при частоте коэффициент передачи тока уменьшается в 1,41 раза по сравнению с его низкочастотным значением . Коэффициент усиления по мощности в схеме с общей базой есть произведение из коэффициентов усиления по току , и по напряжению :

. (7.13)

где

Из (7.13) следует, что в схеме с общей базой коэффициент усиления сигнала по мощности . Зарядовая модель транзистора в схеме с общим эмиттером. Процессы, протекающие в теоретической модели транзистора при работе в активной области в схеме с общим эмиттером (рис. 7.12,а), могут быть описаны тремя уравнениями: (7.6), (7.7) и дополнительным - для тока базы , который является входным в данной схеме: . (7.14)

Совместное решение уравнений (7.6), (7.7) и (7.14), проведенное по той же методике, что и в предыдущем случае, приводит к эквивалентной схеме, приведенной на рис. 7.12,б. По аналогии с предыдущим случаем для коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером и для модуля данной величины получим:

; (7.15) , (7.16)

где - коэффициент усиления по току на низкой частоте в схеме с общим эмиттером; - граничная частота в схеме с общим эмиттером.

График функции (7.16) построен на рис. 7.11. Из него следует, что при частоте коэффициент передачи тока уменьшается в 1,41 раза по сравнению с его низкочастотным значением . При частоте из (7.16) получим . (7.17)

Коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмиттером по аналогии с (7.13): . (7.18)

Из сравнения (7.13) с (7.18) следует, что коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой. Однако в области высоких частот, близких к граничной частоте как это следует из приведенных формул и графиков на рис. 7.11, они различаются мало. Граничная частота , является самым важным параметром, характеризующим частотные свойства транзистора. Значение , можно определить экспериментальным путем согласно (7.17). Для этого следует измерить модуль коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером (см. рис. 7.12,а) и умножить полученное значение на частоту, при которой проводились измерения. Максимальная частота усиления генератора, как правило, не превосходит значения ,. При , коэффициент усиления мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов обычно находится в пределах 3...6 дБ, т.е. в 2 — 4 раза по мощности.

Рис. 7.12. Схема с общим эммитером.

Теоретическая, идеализированная модель транзистора (ТМ), показанная на рис. 7.9 и 7.12, отражает наиболее важные процессы, протекающие в его структуре. В реальной эквивалентной схеме биполярного транзистора помимо этой модели следует также учесть: индуктивности выводов электродов (, , ); сопротивления потерь в базе () и коллектора (, ); стабилизирующие сопротивления, включаемые последовательно с эмиттерами и отображаемые в виде общего сопротивления (); зарядную или барьерную емкость закрытого коллекторного перехода (, ). Такая модель транзистора при работе в активной области и схеме с общим эмиттером приведена на рис. 7.13.

Рис. 7.13. Модель транзистора для схемы с общим эмиттером

Предельно допустимые параметры транзистора. У мощного биполярного транзистора ограничены токи, напряжения на р-n-переходах и мощность рассеяния. К их числу относятся:

- импульсное (пиковое) значение коллекторного тока;

- постоянная составляющая коллекторного тока в непрерывном режиме;

- пиковые значения напряжения коллектор-эмиттер и коллектор-база (не более 45..65 В), не превышающие напряжение пробоя (см. рис. 7.8);

- пиковое значение обратного напряжения база-эмиттер (обычно не более 4...6 В), не превышающее напряжение пробоя этого p-n-перехода;

- мощность , рассеиваемая коллектором.

Остановимся подробнее на последнем параметре. Часть подводимой к транзистору мощности от источников питания и возбуждения рассеивается в нем в виде тепла. В результате температура переходов и корпуса транзистора превышает температуру окружающей среды. Мощность , рассеиваемая коллектором, и температура р-n-перехода связаны в транзисторе соотношением , (7.19)

где -температура корпуса транзистора; - тепловое сопротивление участка р-n-переход-корпус, град/Вт. При температуре корпуса (обычно -50...70 ) максимально допустимая мощность, рассеиваемая коллектором, снижается по закону:

. (7.20)

График функции (7.20) построен на рис. 7.14.

Рис. 7.14.

При работе транзистора в составе генератора недопустимо превышение ни одного из перечисленных предельно допустимых параметров. Нарушение этого правила приводит или к резкому сокращению долговечности полупроводникового прибора, или к его внезапному отказу и выходу из строя аппаратуры в целом.