Биполярные транзисторы

Транзистор, назначением которого является усиление мощности электрических сигналов, представляет собой полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р—n-перехода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов). Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (р-n-р или n-р-n). Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу. Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод-коллектором.

На рис. 1.13, а приведено схематическое изображение структуры транзистора типа n-р-n и два варианта условного графического обозначения (рис. 1.13, б). Транзистор типа р-n-р устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 1.14, а, вариант условного графического обозначения – на рис. 1.14, б. Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки.

Рис. 1.13 Устройство (а) и обозначение транзистора типа n-р-n (б)

Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

Транзисторы типа n-р-n более распространены в сравнении с транзисторами типа р-n-р, так как обычно имеют лучшие параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-р-n играют электроны, а в транзисторах типа р-n-р – дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки и поэтому быстродействие транзисторов типа n-р-n выше.

Рис. 1.14 Устройство (а) и обозначение транзистора типа р-n-р (б)

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора. Материалы исходного кристалла, а также технология изготовления транзисторов в значительной мере определяют их характеристики и параметры. По применяемому материалу транзисторы классифицируются на германиевые и кремниевые, а по технологии изготовления – на сплавные, выращенные, диффузионные, эпитаксиальные и планарные. В производстве дискретных транзисторов применяется, в основном, эпитаксиально-планарная и мезапланарная технологии, а в производстве транзисторов в составе интегральных микросхем – эпитаксиально-планарная. Целый ряд транзисторов изготавливают сочетанием двух или даже трех технологических методов.

Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концентрация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее.

С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный – в обратном направлении (рис. 1.15). Тогда через эмиттерный переход потечет ток i_э, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей. Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу через так называемое время пролета, достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы i_б. Из изложенного следует, что i_б<< i_э.

Полярность напряжения коллекторного перехода способствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захватываются электрическим полем коллектора и переносятся в коллектор. В то же время это поле препятствует переходу электронов из коллектора в базу. Ток коллектора i_к лишь незначительно меньше тока эмиттера, т. е. i_к » i_э. Более точно:

i_к= a_ст?i_э + I_ко,

где a_ст – так называемый статический коэффициент передачи эмиттерного тока (термин статический подчеркивает тот факт, что этот коэффициент связывает постоянные токи); I_ко – так называемый обратный ток коллектора.

Природа обратного тока коллектора такая же, как и у обратного тока диода (т. е. тока диода, включенного в обратном направлении). Ток I_ко протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю, т.е. является неуправляемым.

Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики:

1) Схема с общей базой (рис. 1.16). Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с общей базой, так как база является общим электродом для источников напряжения. Транзисторы характеризуют их так называемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока i_э от напряжения u_бэ при заданном напряжении u_кб, т. е. зависимость вида

Рис. 1.15 Принцип действия транзистора

Рис. 1.16 Схема с общей базой

Входной характеристикой называют и график соответствующей зависимости (это справедливо и для других характеристик). Входная характеристика в значительной степени определяется характеристикой эмиттерного перехода и поэтому аналогична прямой ветви характеристики диода и приведена на рис. 1.17. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения и_кб объясняется проявлением так называемого эффекта модуляции толщины базы. Этот эффект состоит в том, что при увеличении напряжения и_кб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный р-n-переход). Если концентрация атомов примеси в базе меньше концентрации атомов примеси в коллекторе, то расширение коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопротивления приводит к тому, что при неизменном токе i_к напряжение u_бэ уменьшается. Как было отмечено при рассмотрении диода, при малом обратном напряжении на р-n-переходе это напряжение влияет на ширину перехода больше, чем при большом.

Входные характеристики часто характеризуют дифференциальным сопротивлением r_диф, определяемым аналогично дифференциальному сопротивлению диода:

Семейством выходных характеристик для схемы с общей базой (рис. 1.18) называют зависимости тока i_к от напряжения u_кб при различных токах i_э, т.е. зависимость вида:

Рис. 1.17 Входные характеристики

Рис. 1.18 Выходные характеристики

где i_э – заданное значение тока эмиттера.

Основным параметром, характеризующим усилительные свойства транзистора в этой схеме, является коэффициент передачи эмиттерного тока

где ?i_к и ?i_э ? приращения токов коллектора и эмиттера соответственно.

Рис. 1.19 Схема с общим эмиттером.

2) Схема с общим эмиттером (рис. 1.19). Так эта схема называется потому, что в этом случае эмиттер является общим электродом для источников напряжения. Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока i_б от напряжения u_бэ, при заданном напряжении u_кэ, т.е. зависимость вида:

Выходной характеристикой является зависимость тока i_к от напряжения u_кэ при заданном токе i_б, т.е. зависимость вида:

Соответствующие зависимости приведены на
рис. 1.20 и 1.21 соответственно.

Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражениями:

В соответствии с первым законом Кирхгофа

и с учетом предыдущего выражения получим

откуда

Рис. 1.20 Входные характеристики

Вводя понятие статического коэффициента передачи тока базы

тогда i_к = b_ст?i_б + I_ко.

Значение b_ст для разных транзисторов лежит в пределах 20 ? 500, поэтому управление током коллектора по цепи базы гораздо более эффективно, чем по цепи эмиттера. Поэтому последняя схема включения транзистора используется гораздо чаще, чем с общей базой.