Тема 4. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор, образованный двумя последовательно включенными взаимодействующими p-n-переходами и содержащий три или более вывода, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда. Процессы усиления в БТ объясняются возможностью управления большим током в выходной цепи (коллектор или эмиттер) при небольших изменениях напряжения или тока во входной цепи (эмиттер- база).

В зависимости от порядка чередования областей полупроводника, различают транзисторы а) р-n-р-типа и б) n-р-n-типа (рис.4.1.)

 

а) б)

Рис.4.1.

Отличие между ними заключается в различной полярности источников внешних напряжений и в направлении протекания токов через электроды при одинаковом принципе работы. Эмиттером называется одна из крайних областей, которую легируют сильнее, что позволяет использовать ее в режиме инжекции. Промежуточную область называют базой а другую крайнюю область – коллектором. В область коллектора производится экстракция носителей заряда из базовой области. Электронно-дырочный переход между эмиттерной и базовой областями называют эмиттерным, а между коллекторной и базовой – коллекторным.

В зависимости от напряжения на переходах возможны следующие режимы работы транзистора:

активный режим –на эмиттерный переход подается прямое смещение, на коллекторный обратное (запирающее);

режим отсечки – на обоих переходах обратное напряжение;

режим насыщения – на обоих переходах прямое напряжение;

инверсный режим – обратный по отношение к активному, то есть коллекторный переход смещен в прямом направлении, эмиттерный – в обратном.

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На рис. 4.2. показаны полярности внешних источников напряжения и направления токов транзистора, соответствующие активному режиму работы, для трех схем включения.

а б в

Рис. 4.2. Схемы включения биполярного транзистора (ОБ,ОЭ,ОК)

 

Основные функции биполярного транзистора могут быть реализованы только в активном режиме, поэтому ниже рассмотрим процессы формирования токов и управления ими в активном режиме для схемы с общей базой.

С ростом прямого смещения U_эб на эмиттерном переходе происходит уменьшение его потенциального барьера, что вызывает инжекцию дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер.

 

Рис.4.3. Внутренняя структура биполярного транзистора

 

При этом, как и ранее в полупроводниковых диодах, используется несимметричный р-п переход, при котором концентрация примеси в эмиттере много больше концентрации примеси в базе (концентрация основных носителей эмиттера много больше концентрации основных носителей базы). Это приводит к тому что инжекция дырок из эмиттера в базу преобладает над инжекцией электронов из базы в эмиттер. Ток инжекции имеет две составляющие: дырочную I_эp и электронную I_эn. Процесс инжекции характеризуется коэффициентом инжекции (эффективностью эмиттерного перехода) , показывающим, какую долю составляет от общего тока эмиттера ток инжектированных в базу носителей.

В результате инжекции происходит диффузия дырок через базу к коллекторному переходу. Этот процесс усиливается тем, что дырки, подошедшие к обратносмещенному коллекторному переходу, попадают в его ускоряющее поле U_кб и экстрагируют в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектора I_{к упр}..

По мере продвижения по базе незначительная часть дырок рекомбинирует с собственными носителями базы – электронами, создавая рекомбинационную составляющую тока базы I_{б рек}. Коэффициент переноса неосновных носителей через базу характеризуется e = I_кp/I_эp, где I_кp – ток дырок, дошедших до коллекторного перехода в области базы.

При экстракции может также происходить ударная ионизация атомов полупроводника и лавинное умножение носителей заряда в коллекторном переходе, которое оценивается коэффициентом лавинного умножения М = I_{к упр}/I_кp. Произведение частичных коэффициентов передачи позволяет определить сквозной коэффициент передачи по току в схеме с ОБ (статический коэффициент передачи тока эмиттера) как Управляемая составляющая тока коллектора при этом равна .

Значения параметра лежат в диапазоне 0,95¼0,999.

Можно заметить, что в общем случае при малой ширине базы поле КП полностью формирует ток коллектора, то есть напряжение на коллекторном переходе при этом может отсутствовать. Однако в реальной схеме включения БТ напряжение Uкэ всегда имеется, что обусловлено включением нагрузки и необходимостью создания выходного тока в цепи коллектора.

Следовательно, кроме управляемого тока коллектора через коллекторный переход всегда протекает обратный неуправляемый ток , обусловленный экстракцией собственных неосновных носителей базы (дырок) и коллектора (электронов). Поэтому для полного тока коллектора справедливо выражение

( 4.1)

Обратный неуправляемый ток сильно зависит от температуры, поэтому называют также тепловым током. совпадает по направлению с управляемым током коллектора , а в цепи базы противоположен току рекомбинации, поэтому полный ток базы определяется разностью .

Величина для германиевых транзисторов составляет десятки микроампер, а для кремниевых транзисторов – сотни наноампер, Поэтому можно считать, что .

Для БТ можно записать так называемое внутреннее уравнение транзистора, то есть выражение, связывающее токи всех трех выводов БТ:

, (4.2)

Выражение, связывающее выходной и входной ток транзистора, включенного по схеме с ОЭ, можно получить, подставив (4.2) в (4.1):

. (4.3)

Параметр называют статическим коэффициентом передачи по току в схеме с ОЭ (статический коэффициент передачи тока базы). Ток называют начальным током транзистора.

Коэффициент принимает значения, лежащие в диапазоне десятки – сотни раз. Очевидно, что величина характеризует способность транзистора усиливать малый по величине ток базы и это усиление будет тем больше, чем больше . Величина также будет расти при уменьшении потерь в базе и ширины базы, что позволит также повысить крутизну управления БТ при подаче небольшого сигнала во входную цепь БТ (эмиттер-база).

В активном режиме работы токи коллектора и эмиттера БТ практически равны, а незначительный ток базы равен их разности.

Это приводит к тому, что в схеме с ОБ отсутствует усиление по току ()., а в схеме с ОЭ величина имеет большое значение (50-100).

Усиление входного сигнала по напряжению и мощности возможно получить в обеих рассмотренных схемах включения (ОБ и ОЭ). Поскольку ток коллектора формируется без участия Uк, величина коллекторного тока практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода очень велико (переход включен в обратном направлении).

В связи с этим в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением , что практически не изменит коллекторный ток. В то же время дифференциальное сопротивление прямовключенного эмиттерного перехода очень мало: и .

Можно увидеть, что изменение входного (эмиттерного) тока на величину практически приводит к такому же изменению коллекторного тока . При этом изменение потребляемой мощности в цепи эмиттера значительно меньше изменения мощности в выходной цепи . Это означает, что транзистор способен управлять большой мощностью в коллекторной цепи при небольших затратах мощности в эмиттерной цепи. Коэффициент усиления по мощности определяется выражением

(4.4)

Аналогичные выводы можно получить и для схемы с ОЭ, которая является универсальной (то есть усиливает и по току и по напряжению и по мощности). Для схемы включения с ОК можно определить соотношение выходного тока эмиттера и входного тока базы как

Кi =I_э/I_б=(I_к+ I_б)/I_б= (1+ ). (4.5)

Из схемы рис., эквивалентная схема которой соответствует схеме с ОК, можно увидеть, что выходное напряжении всегда меньше входного, то есть схема включения БТ с ОК не позволяет получить усиление по напряжению, но, очевидно, позволяет получить усиление по мощности, так как Кi= (1+ ).

Статические ВАХ отражают зависимости между постоянными входными и выходными токами и напряжениями транзистора. Для любой схемы включения транзистора можно получить четыре семейства статических ВАХ: входные , выходные , прямой передачи по току и обратной связи по напряжению . В таком варианте ВАХ мы анализируем зависимость параметров транзистора от входного тока , так как параметры биполярного транзистора в рабочем режиме зависят от величины тока через прямосмещенный переход БТ. В то же время в выходной цепи определяющей является зависимость параметров от напряжения на обратносмещенном переходе, то есть .

На рис. 4.3. и рис 4.4.. приведены графики семейств статических ВАХ транзистора, имеющего p-n-p-структуру, для включения с ОБ.

Рис 4.4. Входные и выходные статические ВАХ p-n-p-транзистора с ОБ.

 

Входные характеристики представляют собой известные характеристики прямосмещенного р-п перехода. Выходные характеристики позволяют оценить поведение транзистора в различных режимах работы в соответствии с определением режимов.

Рис.4.5. Характеристики прямой передачи и обратной связи БТ с ОБ

 

Характеристики прямой передачи БТ являются линейными в рабочей области входных токов в соответствии с уравнением .

Поведение характеристик обратной связи объясняется эффектом модуляции ширины базы в области небольших значений U кб.

 

Для схемы включения БТ с ОЭ поведение входных характеристик (рис. 4.6.) объясняется так же как и для схемы с ОБ. На выходных характеристиках требует пояснения отличное от схемы с ОБ расположение области режима насыщения

Рис.4.6. Входные и выходные характеристики БТ с ОЭ

 

В частности в схеме с ОЭ насыщение БТ наступает при выполнении условия Uкэ < Uбэ. В этом случае полярность напряжения на коллекторном переходе соответствует прямому смещению независимо от типа транзистора (р-п-р или п-р-п.). На рис. также показана возможность определения параметров транзистора через приращения токов и напряжений в заданной рабочей точке БТ.

 

Рис.4.7. Характеристики прямой передачи и обратной связи БТ с ОЭ

 

Системы параметров Z,Y,H.

 

Транзистор в активном режиме работы описывается различными системами дифференциальных параметров, которые рассматриваются как линейные, а сам транзистор является в этом случае линейным четырехполюсником (4.8.).

 

Комплексные амплитуды тока и напряжения во входной цепи четырехполюсника обозначают и . Два других вывода являются выходными, соответствующие им ток и напряжение обозначают и .

Рис.4.8. Представление транзистора как линейного четырехполюсника

 

Взаимосвязь между входными и выходными напряжениями и токами линейного четырехполюсника выражается различными системами параметров, в частности наиболее часто используются три системы: Z-;Y-; и H- параметры.

В системе Z–параметров напряжения на входе и выходе четырехполюсника зависят от токов ;

Схема замещения БТ для системы Z- параметров приведена на рис.4.9.

Рис.4.9.

В этом случае сами параметры можно записать как:

– входное сопротивление транзистора; ( 4.6)

– сопротивление обратной связи транзистора; ( 4.7)

– сопротивление прямой передачи БТ; ( 4.8)

– выходное сопротивление. ( 2.24)

Для определения Z–параметров необходимо создать режим холостого хода (XX) во входной и выходной цепях. Осуществить режим холостого хода во входной цепи транзистора не представляет большого труда, так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало, тогда как выходная цепь четырехполюсника имеет большое сопротивление (коллекторный переход закрыт), поэтому осуществить режим холостого хода здесь затруднительно. К недостаткам Z–параметров можно отнести также низкочастотный диапазон их применения

 

В системе Y–параметров токи на входе и выходе четырехполюсника зависят от напряжений , ( 4.9)

Рис.4.10.Эквивалентная схема транзистора с использованием Y–параметров

Схема замещения транзистора с использованием Y–параметров (рис.4.10.), получена на основании уравнения (3.16). Генератор тока отражает наличие обратной связи в транзисторе, а генератор – влияние входного напряжения на выходной ток.

В этом случае можно определить параметры, как:

– входная проводимость; ( 4.10)

– проводимость обратной передачи; ( 4.11)

– проводимость прямой передачи; ( 4.12)

– выходная проводимость. ( 4.13)

Y–параметры имеют размерность проводимости и определяются в режиме короткого замыкания (КЗ) на входе и выходе транзистора.

Режим короткого замыкания легко осуществляется в выходной цепи транзистора, включением емкости параллельно. На входе трудно осуществить режим короткого замыкания из-за низкого входного сопротивления транзистора.

Достоинством системы Y–параметров является хорошее описание высокочастотных свойств транзистора, поскольку режим короткого замыкания на высоких частотах реализуется более просто. Эта система широко используется в расчетах усилителей и генераторов ВЧ диапазона, а Y–параметры ВЧ транзисторов приведены в справочниках.

Система H–параметров вводится как система, у которой независимыми являются Iвх и Uвых, а зависимыми Iвых и Uвх.

 

; (4.14)

. (4.15)

Эквивалентная схема транзистора, описанная системой H–параметров приведена на рис.4.11.

Рис.4.11.

Физический смысл H-параметров можно определить из условий к.з. на выходе и х.х. на входе,

– входное сопротивление; ( 4.16)

– коэффициент обратной связи по напряжению; ( 4.17)

– коэффициент передачи по току; (4. 18)

– выходная проводимость. ( 4.19)

Преимущество H–параметров состоит в удобстве их экспериментального определения в режимах близких к режимам работы транзисторов в практических схемах. Реализация режимов холостого хода на входе и короткого замыкания на выходе не изменяет выбранного режима работы по постоянному току.

Однако в записанном выше виде система является статической и для практического использования ее необходимо переписать не для постоянных напряжений и токов, а для их изменений в рабочей точке БТ.

В этом случае система h-параметров позволяет связать между собой амплитудные (действующие) значения переменных составляющих входных и выходных токов и напряжений.

Для расчета h-параметров удобно использовать семейства входных и выходных характеристик БТ. Рассмотрим порядок графоаналитического метода расчета h-параметров БТ с ОЭ. Для определения дифференциальных параметров и в заданной рабочей точке А (, , ) на линейном участке семейства входных характеристик необходимо выполнить построения, как показано на рис.4.6.а Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

, (4.20)

. (4.21)

Параметры и определяются по семейству выходных характеристик. Обратите внимание на различие в обозначении статического коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ h_21Э и дифференциального параметра h_21э. В окрестности точки А' (, , ), соответствующей точке А на семействе входных характеристик, выполняют построения, как показано на рис. 4.6, б. Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

, (4.22)

. (4.23)

Аналогично определяются h-параметры для транзистора с ОБ.

 

Физические Т-образные эквивалентные схемы замещения БТ часто используются для анализа малосигнальных транзисторных усилителей.

Для включения БТ с ОБ и ОЭ эквивалентные схемы представлены на рис. 4.12. и рис. 4.13. соответственно.

Рис. 4.12. Эквивалентная схема БТ в схеме включения с ОБ

 

Параметры эквивалентных схем маломощных БТ обычно принимают следующие типовые значения: дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода – единицы – десятки ом; объемное сопротивление базы – сотни ом – единицы килоом; выходное сопротивление в схеме с ОБ – сотни килоом – единицы мегаом; выходное сопротивление в схеме с ОЭ – десятки – сотни

Рис.4.13. Эквивалентная схема БТ в схеме включения с ОЭ

 

Значения параметров могут быть найдены с использованием известных h-параметров.

 

с ОБ: , , , ; (4.24)

с ОЭ: , , , . (4.25)

Коэффициенты обратной связи по напряжению h_12э для обеих схем включения БТ имеют очень малую величину, поэтому при определении h- параметров точность вычисления некоторых параметров с использованием статических ВАХ оказывается низкой. В связи с этим при расчете параметров эквивалентной схемы целесообразно использовать выражение для легко определяемого сопротивления эмиттерного перехода

(4.26)

где – тепловой потенциал, равный 26 мВ при Т=300 К; – ток эмиттера БТ в рабочей точке. Связанное с ним объемное сопротивление базы БТ также целесообразно рассчитать согласно выражению

. (4.27)

Температурные свойства биполярного транзистора могут быть рассмотрены из следующих соображений:

1) имеется зависимость тока неосновных носителей I_кбо от температуры (этот ток удваивается при изменении температуры на каждые 10 ^оС у германиевых транзисторов и на каждые 7 ^оС у кремниевых;

2) напряжение эмиттер-база с увеличением температуры уменьшается (примерная скорость этого уменьшения DU_бэ / DТ» - 2,5 мВ/^оС);

3) коэффициент передачи тока базы b (h₂₁) с повышением температуры увеличивается.

Самое ощутимое влияние на работу транзистора при повышении температуры оказывает ток I_кбо. За счет этого тока может произойти тепловой пробой коллекторного перехода.

Температурные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с ОЭ. Можно определить, что при изменении температуры, например, с 20 ^оС до 70 ^оС у германиевого транзистора в схеме с ОБ произойдет увеличение тока I_кбо в 1)-20 раз раз, то есть ток I_кбо (от начального значения 5-30 мка) равен увеличится до величины 100-300 мКА, что незначительно увеличит ток коллектора, среднее значение которого 10-50 мА.

В схеме на транзисторе с ОЭ картина иная, так как начальный ток коллектора I_кэо будет в (b+1) раз больше тока I_кбо, то есть у того же транзистора, что использовался в схеме с ОБ, при изменении температуры на те же +50 ^оС произойдет увеличение тока неосновных носителей I_кэо до 10-20 мА, а коллекторный ток при этом изменится не менее чем в два раза, что значительно повлияет на режим транзистора и на его основные характеристики.

В общем случае влияние температуры на БТ проявляется также в смещении входных характеристик при изменении температуры, что приводит к смещению рабочей точки на характеристиках БТ и появлению искажений в усиливаемом сигнале.

Частотные свойства биполярного транзистора можно оценить, исходя прежде всего из двух основных причин:

1) влияние диффзионной и барьерной емкостей эмиттерного и коллек-

торного переходов;

2) появление фазового сдвига между переменными составляющими тока эмиттера и коллектора. Период подводимых колебаний становится соизмеримым со временем пролета носителей, в базе происходит накопление объемного заряда, за счет которого затруднена инжекция носителей в базу из эмиттера, так как на рассасывание заряда требуется определенное время. Коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается и становится комплексной величиной.

Для характеристики частотных свойств транзистора вводятся параметры:

предельная частота транзистора f_пр - это такая частота, на которой статический коэффициент передачи тока эмиттера a уменьшается в Ö2 раз по сравнению с «a», измеренном на частоте 1000Гц;

граничная частота транзистора f_гр - это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице. На любой частоте в диапазоне 0,1f_гр < f < f_гр модуль коэффициента передачи тока базы изменяется в два раза при изменении частоты в два раза;

максимальная частота генерации - наибольшая частота, при которой транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи. Приближенно эта частота соответствует выражению

( 4.28)

где f_гр - граничная частота в МГц; t_к = r^’_бС_к - постоянная времени цепи обратной связи, определяющая устойчивость усилительного каскада к самовозбуждению; r^’_б - распределенное омическое сопротивление базовой области; С_к - емкость коллекторного перехода.

Максимально допустимые параметры БТ. Для обеспечения надежной работы аппаратуры режимы работы транзисторов должны выбираться таким образом, чтобы ток и напряжение не выходили за пределы области допустимых режимов, которая определяется следующими параметрами: максимально допустимый постоянный ток коллектора ; максимально допустимое постоянное обратное напряжение коллектор–эмиттер ; максимально допустимое постоянное обратное напряжение эмиттер–база ; максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора . Обычно в справочнике приводятся значения этих параметров для температуры корпуса , при которой обеспечивается максимальная мощность рассеивания. При увеличении температуры выше рассеиваемая мощность рассчитывается по формуле

, (4.29)

где – температура перехода; – температура корпуса; – тепловое сопротивление переход–корпус.

Классификация и система обозначений биполярных транзисторов. По мощности, рассеиваемой коллектором, транзисторы бывают: малой мощности ; средней мощности ; большой мощности .

По частотному диапазону в зависимости от граничной или максимальной рабочей частоты транзисторы делятся на низкочастотные ; средней частоты ; высокочастотные ; сверхвысокочастотные .

Для маркировки биполярных транзисторов используется буквенно-цифровая система условных обозначений согласно ОСТ 11.336.038-77. Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.

Первый элемент – буква русского алфавита или цифра, указывающая исходный материал: Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия. Второй элемент – буква, указывающая на тип транзистора: Т – биполярный, П – полевой. Третий элемент – цифра, указывающая на частотные свойства и рассеиваемую мощность транзистора (табл. 4.1). Четвертый, пятый, (шестой) элементы – цифры, указывающие порядковый номер разработки. Шестой (седьмой) элемент – буква русского алфавита, условно определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Примеры обозначения транзисторов: КТ315А – кремниевый БТ, малой мощности, высокой частоты, номер разработки 15, группа А; КТ806Б – кремниевый БТ, большой мощности, средней частоты, номер разработки 06, группа Б; ГТ108А – германиевый БТ, малой мощности, низкой частоты, номер разработки 08, группа А; КТ3126Б – кремниевый БТ, малой мощности, высокой частоты, номер разработки 126, группа Б.