III Биполярные транзисторы.

Общие сведения

Транзистором - называют электропреобразовательный п/п прибор, с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий 3 и более выводов.

По принципу действия транзисторы делятся на 2 основных класса:

1) Биполярный – физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков основных и неосновных, что отражено в названии.

2) Полевые (канальные, униполярные) - используют движение носителей одного знака (основных).

Рассмотрим биполярные транзисторы (БТ).

Имеет 2 взаимодействующих перехода и 3 вывода. Это кристалл п/п, содержащий 3 области с поочередно меняющимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают БТ p-n-p и n-p-n типов. Принцип действия БТ различных типов одинаков.

Устройство и обозначения.

Они для p-n-p и n-p-n транзисторов приведены соответственно на Рис. 43 а и б.

Одну из крайних областей транзисторной структуры создают с повышенной концентрацией примеси, используют в режиме инжекции и называют эмиттером. Среднюю область называют Базой, а другую крайнюю область - коллектором (тоже с повышенной концентрацией основных носителей). 2 перехода называют эмиттерным ЭП и коллекторным КП. Транзисторы обозначают буквенно-цифровым кодом, как и диоды. Второй элемент обозначения «Т». Например, КТ315А.

3 элем обозначается – число 1-9 указывает на:

1. Маломощные низкочастотные (p_кmax£ 0.3 Вт f_гр£ 3 МГц) 101-199

2. Маломощные средней частоты (3£ f_гр£ 30 МГц) 200-299

3. Маломощные ВЧ и СВЧ (f_гр> 30 МГц) 301-399

4. Средней мощности низкочастотные (0.3 Вт£ P_кmax£ 1.5 Вт)

5. Средней мощности средней частоты

6. Средней мощности ВЧ и СВЧ

7. Большой мощности низкочастотные (P_кmax> 1.5 Вт)

8. Большой мощности средней частоты

9. Большой мощности ВЧ и СВЧ

Схемы включения.

В зависимости от того, какой электрод имеет общую точку соединения с входной и выходной цепями, различают 3 схемы включения транзисторов:

1) С общей базой (ОБ) (Рис. 44а);

2) С общим Эмиттером (ОЭ) (Рис. 44б);

3) С общим коллектором (ОК) (Рис. 44в).

В подавляющем большинстве случаев цепи эмиттера или базы являются входящими цепями, т. к. к ним подводятся сигналы, подлежащие преобразованию, а цепь коллектора – выходной – в нее включен резистор нагрузки.

Режимы работы.

Для БТ.

1) Активный (ЭП – открыт; КП – закрыт). Этот режим соответствует работе БТ в качестве усилительного элемента. За счет прямого смещения ЭП обеспечивается режим инжекции, а за счет обратного смещения КП – режим экстракции.

2) Режим отсечки (Оба перехода закрыты (смещены в обратном направлении))

3) Режим насыщения (оба перехода открыты (смещены в прямом направлении))

4) Инверсный режим (ЭП - закрыт; КП – открыт) – часто встречается при работе БТ в качестве ключа.

Технологические особенности.

Сплавные БТ были исторически первыми широко распространенными. Упрощенный вид структуры такого БТ показан на Рис. 47.

В п/п пластину n-типа вплавляли с 2 сторон п/п p-типа.

Недостатки - малая максимальная допустимая рассеиваемая мощность коллектора P_кmax< 250 мВт (< 30 МГц).

Современные БТ изготавливаются по планарной технологии с использованием методов диффузии и эпитаксии.

Упрощенный вид планарного БТ со структурой n-p-n изготовленный методом 3 диффузий показан на Рис. 48.

В п/п p-типа:

· При первой диффузии вносят донорную примесь n-типа, создавая коллекторную область БТ.

· При второй диффузии вносят акцепторную примесь p-типа, создавая базовую область БТ.

· При третьей диффузии вносят примеси с высокой концентрацией доноров.

Выводы располагаются в одной плоскости (название – планарный), что упрощает процесс изготовления, а так же позволяет автоматизировать монтаж транзистора в корпус, что снижает его стоимость.

Энергетические диаграммы.

Для p-n-p транзистора по схеме ОБ в отсутствии напряжений на переходах (Рис. 46а).

При подключении к БТ внешних источников (Рис. 46б) энергетическая диаграмма изменяется.

ЭП в активном режиме оказывается открытым, и потенциальный барьер снижается, т. е.

j’_эб=j_эб-U_эб

КП – закрывается и поэтому потенциальный барьер возрастает.

j’_кб=j_кб+|U_кб|

Принцип работы.

Работу БТ рассмотрим в активном режиме на примере структуры p-n-p, включенной по схеме ОБ (Рис. 49).

Когда Uэб=0, а UКБ ¹ 0, то Iэ=0 и БТ протекает ток неосновных носителей через КП. Этот ток называется начальным коллекторным и обозначается I_КБ0.

Если Uэб¹ 0, а UКБ ¹ 0, то в БТ появляется эмиттерный ток, равный сумме дырочной и электронной составляющей Iэ=Iэр+Iэn, но, поскольку концентрация основных носителей в эмиттере на несколько порядков выше, чем в базе, то можно считать, что Iэ≈ Iэp. Эффективность эмиттера, оценивается коэффициентом инжекции g_и. Для БТ с p-n-p структурой g_и= .

Инжектированный через ЭП дырки проникают вглубь базы, для которой они являются неосновными носителями. Здесь происходит частичная рекомбинация дырок с электронами. Однако, из-за разности концентраций преобладающая часть дырок достигает КП, не успев рекомбинировать. В рез экстракции дырки быстр втягиваются из базы в коллектор (UКБ> > UЭБ), имеющий более сильное эл поле и участвуют в создании тока коллектора.

Малая часть дырок, которая рекомбинирует в области базы с электронами, создает небольшой ток базы Iб=Iэ-Iк.

Таким образом, в активном режиме, через БТ протекает сквозной ток от эмиттера через базу к коллектору, и только незначительная часть его ответвляется в цепь базы (Рис. 50).

Для оценки влияния рекомбинации носителей в базе, в активном режиме, используют коэффициент переноса носителей в базе n_п= . (nп близок к 1.).

Важнейшим параметром БТ является статический коэффициент передачи тока эмиттера a(в схеме ОБ), причем a=gиnп.

В практических случаях a определяется следующим образом:

Полный ток коллектора равен:

Поскольку Iкб0 – мал

Из этого выражения видно, что коллектор является прибором, управляемым током.

Поскольку напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение в цепи эмиттера, а токи в цепях эмиттера и коллектора примерно равны, то мощность полезного сигнала на выходе схемы (на резисторе нагрузке R_н) оказывается существенно большей, чем на входе цепи (эмиттера). Это и открывает широкие возможности использования БТ в качестве усилительного прибора.

Наилучшим образом усилительные свойства БТ проявляются в схеме ОЭ (Рис. 44б). Особенность схемы в том, что входным током является I_б, причем I_б< < I_э. Статические коэффициенты передачи тока базы (схема ОЭ), определяется, как

Найдем связь между a и b.

Статические характеристики.

Они отражают зависимость между постоянными токами и напряжениями на входе и выходе БТ.

Если обозначить напряжение и ток входного электрода БТ через U₁, I₁. А выходного электрода через U₂, I₂, то взаимосвязь этих 4 величин можно выразить 6 системами уравнений. В качестве статических характеристик БТ используются:

1) Семейство входных характеристик I₁=f(U₁) при U₂=const;

2) Семейство выходных характеристик I₂=f(U₂) при I₁=const;

3) Семейство характеристик передачи тока I₂=f(U₂) при I₁=const;

4) Семейство характеристик обратной связи по напряжению U₁=f(I₂) при U₂=const;

В завис от схемы включения в качестве входных U₁ I₁ и выходных U₂ I₂ напряжений и токов используются токи или напряжения того или иного электрода.

Наибольшее применение в инженерной практике находят входные и выходные характеристики. Два других семейства используются реже. Их можно построить по входным и выходным характеристикам.

Для схемы ОБ входные характеристики

Выходные характеристики:

Рис. 51 а и б.

Входные характеристики имеют вид ВАХ диода при прямом включении. При увеличении U_кб происходит слабое смещение характеристик влево. Выходные характеристики представляют собой пологие, почти прямые линии, что характеризует высокое выходное сопротивление по переменному току, даже при U_кб=0 происходит экстракция и I_к может иметь большое значение, зависящее от I_э. Для схемы ОЭ входные характеристики

I_б = f(U_б)|U_кб=const

I_к=а(U_кэ)|I_б=const

Рис. 52 а и б.

С ростом U_кэ наблюдается сдвиг входных характеристик вправо. При увеличении U_кэ почти все подвижные носители втягиваются в коллектор, не успев рекомбинировать в базе. Поэтому I_б уменьшается с ростом U_кэ.

Дифференциальные параметры.

БТ можно рассматривать, как 4-х полюсник (Рис. 53) Связь между токами и напряжениями в котором представляется двумя в общем случае нелинейными функциями. В качестве независимых переменных можно выбрать любые 2 из 4 величин

Для большого класса электронных схем, называемых линейными, токи и напряжение складываются из сравнительно больших постоянных составляющих и малых переменных (приращений), которые приблизительно можно считать линейными. Поэтому и зависимости переменных составляющих будут линейными.

Наиболее практическое применение для БТ имеют h параметры.

1) Удобство экспериментального определения (опыты КЗ и ХХ)

2) измеряются в режимах, близких к режимам в практических схемах.

В качестве независимых переменных в этой системе выбирают I₁ и U₂

U₁=f(I₁, U₂)

I₂=f(I₁, U₂)

Зададим приращение независимых переменных [кружочки] в виде малых гармонических колебаний с комплексной амплитудой I₁ с точкой и U₂ с точкой. При этом, приращение зависимых переменных будут так же гармонические колебания [квадратики] (линейность, как допущение) с комплексом амплитуд Ů ₁ и ĺ ₂.

Частные производные передаются независимыми переменными для случая независимых колебаний обозначают символами h₁₁, h₁₂, h₂₁, h₂₂. Тогда уравнения для комплексных амплитуд следующие

Здесь h₁₁, h₁₂, h₂₁, h₂₂ являются дифференциальными h параметрами.

­Входное сопротивление транзистора при КЗ цепи. Параметр h₁₂.

­Коэффициент обратной связи по напряжению при ХХ на входе.

­Дифференциальный коэффициент передачи тока при КЗ выходной цепи.

­Выходная проводимость транзистора при ХХ на входе.

Эта система парам называется смешанной (гибридной), т к её параметры имеют различную размерность.

Величина параметров транзистора зависит от способа его включения, поэтому вводят индексы б, э и к в обозначение параметров.

Пример: h_21э, h_21б

h парам можно определить по статическим характеристикам БТ, используя вместо частных производных соответствующие им малое приращение токов и напряжений, используя h параметры, можно представить формальную эквивалентную схему БТ, приведены на Рис. 54, справедливый для каждой схемы включения транзистора.

Эксплуатационные параметры.

Предельные значения этих параметров указ на возможности практического применения БТ (Рис. 51б).

1) Максимально допустимый выходной ток I_кmax, превышение которого приводит к тепловому пробой КП и выходу БТ из строя.

2) Максимально допустимое напряжение между электродами U_кmax которое определяется значениями пробивного напряжения КП.

3) Максимально допустимое, мощность, рассеиваемая выходным электродом транзистора (коллектором) P_кmax.

Влияние температуры на характеристики.

Влияние температуры на основные характеристики БТ показаны на Рис. 55.

При повышении температуры наблюдается смещение выходных характеристик вверх Рис. 55б, т. е. уменьшается выходное сопротивление БТ. Особенно сильно завис от темп I_к0, которая возрастает примерно вдвое при повышении температуры на 10 ℃.

С увеличением температуры возрастают a и b. Мощность P_к, поэтому БТ нуждается в схемах температурной стабилизации режимов.

Частотные свойства.

При работе БТ с высокочастотными и импульсными сигналами изменяется главным образом статический коэффициент передачи тока (a и b).

a»h_21б ОБ

b»h_21э ОЭ

Становятся комплексными

С изменением частоты измен как модули коэффициента | h_21б | и | h_21э |, так и фазовый угол j между входными и выходными токами.

При этом используется ряд параметров:

1) f_h21б – предельная частота коэффициент передачи тока в схеме ОБ, при , рис 56.

2) f_h21э – предельная частота коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, определяется аналогично 1 случаю.

3) f_гр – граничная частота коэффициент передачи тока в схеме ОЭ. |h_21э|=1.

4) f_max – максимальная частота генерации транзистора. На этой частоте коэффициент усиления по мощности K_p£ 1. В этом случае нельзя осуществить режим самовозбуждения в генераторе на транзисторе.

Уменьшение коэффициент передачи тока с ростом частоты является следствием инерционности физических процессов в БТ (инжектированные носители достигают коллекторный переход не мгновенно, а за конечное время).

Шумовые свойства.

БТ обладают собственными шумами, т е при отсутствии сигналов на входе транзистора на выходе у него имеется некоторое хаотически изменяющееся напряжение. Шумы обусловлены физическими особенностями работы конструкции и технологией производства.

Основные составляющие шума:

1) Тепловой, обусловленный хаотическим тепловым движением носителей заряда, которое определяется по формуле Найквиста. R – Сопротивление, создающее тепловой шум. Df – Полоса частот.
2) Дробовой, обусловленных хаотичностью прохождения носителей заряда через p-n переход за счет теплового движения (дробовой эффект). Определяется по формуле Шоттки.
3) Шумы тока распределения, обусловленные распределением тока инжекции между коллектором и базой.
4) Избыточные низкочастотные шумы, обусловленные процессами генерации и рекомбинации носителей. fн.изб - нижняя граничная частота избыточных шумов (обычно кГц для БТ).
5) Избыточные высокочастотные шумы, обусловлены падением коэффициента усиления по току БТ на этих частотах, а так же прохождением шумов с выхода на вход через проходные емкости (Рис. à). Верхняя граничная частота избыточных шумов составляет 10-ки и 100-и МГц. Наиболее опасной является Спр, которая связывает выход со входом.

Уровень шумов оценивается коэффициентом шума К_ш (Рис. 57). Это отношение мощности шума на выходе транзистора, к той её части, которая создается за счет усиления собственных шумов, источника входного сигнала Р_ш.г.

Где К_р – коэффициент усиления по мощности. К_ш =5-20 дБ.

Моделирование БТ.

Модели используют для расчета характеристик и параметров электронных схем. Наиболее распространённой является модель Эверса - Молла. В простейшем варианте для n-p-n транзистора (Рис. 58) и характеризует только активную область транзистора.

Диоды D1 и D2 моделируют свойства эмиттерного и коллекторного перехода. ВАХи диодов аппроксимируются так.

(1) - обратные тепловые токи переходов;

(2) - считаются положительными при прямом включении переходов.

Источник тока aI₁ учитывает передачу тока из эмиттера в коллектор, а a_II₂ – из коллектора в эмиттер.

Связь между токами Рис. 58 следующая:

Подставляя I₁ и I₂ получим:

Из этих уравнений можно получить аналитические выражения для любого семейства рассмотренных выше характеристик в любой схеме включения.

Параметры a и a_I определяются соответственно в активном и инверсном режимах. В простейшей модели параметры a и a_I иI_э0 и I_к0 считаются постоянными, независящими от токов и напряжений.

Более сложная модель (с учетом ВЧ) показаны на Рис. 59.

Резисторы R_э, R_б и R_к учитывают влияние п/п областей эмиттера, базы и коллектора.

С_эб, С_эдиф, С_кб, С_кдиф – учитывают инерционные свойства ЭП и КП.