Электроника и схемотехника Лекция № 3. Биполярные транзисторы. 1. Биполярный транзистор. Структура. Типы. УГО. 2. Физические принципы работы биполярного транзистора. Статические характеристики. 3. Режимы работы биполярного транзистора. Схемы замещения.
1. Биполярный транзистор. Структура. Типы. УГО. Биполярный транзистор (обычно его называют просто транзистором) — это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя (или более) выводами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. Транзисторы могут работать при малых напряжениях, их можно использовать помимо усиления и генерирования сигналов переменного тока в качестве ключевых элементов. Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, к которых принимают участие носители заряда, как электроны, так и дырки. Схематическое изображение структуры биполярного транзистора
Он представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы три области с чередующимися типами электропроводности. На границах этих областей возникают электронно дырочные переходы. От каждой области полупроводника сделаны токоотводы (омические контакты). Среднюю область транзистора, расположенную между электронно дырочными переходами, называют базой (Б). Примыкающие к базе области обычно делают неодинаковыми. Одну из областей делают так, чтобы из неё наиболее эффективно проходила инжекция носителей в базу, а другую – так, чтобы p-n переход между базой и этой областью наилучшим образом собирал инжектированные в базу носители, то есть осуществлял экстракцию носителей из базы. Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а p-n переход между базой и эмиттером – эмиттерным (ЭП). Область транзистора, основным назначением которой является собирание, экстракция носителей заряда из базы, называют коллектором (К), а p-n переход между базой и коллектором – коллекторным (КП). В зависимости от типа электропроводности крайних слоев (эмиттера и коллектора) различают транзисторы p-n-p и n-p-n типа. В обоих типах транзисторов физические процессы аналогичны, они различаются только типом инжектируемых и экстрагируемых носителей и имеют одинаково широкое применение. Условные графические обозначения транзисторов: а – транзистор p-n-p типа; б – транзистор n-p-n типа
Конструктивное оформление биполярного транзистора
2. Физические принципы работы биполярного транзистора. Статические характеристики. В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: -инжекция, -диффузия, -рекомбинация, -экстракция. Рассмотрим р‑n переход эмиттер – база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р‑n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Процесс переноса инжектированных носителей через базу – диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения, – диффузионная длина Lp. Поэтому если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. И условие W < Lp является необходимым для реализации транзисторного эффекта – управления током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи. В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток. Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p‑n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса: инжекция из эмиттера в базу; диффузия через базу; рекомбинация в базе; экстракция из базы в коллектор.
Рассмотрим физические процессы в биполярном транзисторе при усилении электрических сигналов. К транзистору подключают два источника ЭДС: Е 1 – ЭДС источника входного сигнала, и Е 2 – ЭДС источника питания (мощного источника). ЭДС Е 1 подключается так, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а ЭДС Е 2 должна смещать коллекторный переход в обратном направлении. Тогда при отсутствии тока в цепи источника входного сигнала (во входной цепи транзистора) нет тока и в цепи источника питания (в выходной цепи). Строго говоря, в выходной цепи будет протекать очень маленький ток Iкбо – обратный ток закрытого коллекторного перехода, но им ввиду его малости можно пренебречь. Если же во входной цепи транзистора создать под действием источника какой то ток Iэ , то дырки, являющиеся основными носителями в р области эмиттера будут инжектироваться в область базы, где они становятся уже неосновными носителями. Те из них, которые попадают в зону действия электрического поля коллекторного перехода, будут испытывать со стороны этого поля ускоряющее, притягивающее действие и будут переброшены через границу раздела в область коллектора (область р типа), где дырки уже являются основными носителями. Таким образом, в цепи источника питания появится ток Iк – ток коллектора, который, протекая, по сопротивлению нагрузки Rк, создает там падение напряжения: которое является выходным сигналом усилителя и в точности повторяет все изменения входного сигнала. Отметим, что не все носители, инжектированные из эмиттера в базу, достигают коллекторного перехода; часть из них рекомбинирует в базе по пути движения от эмиттерного перехода к коллекторному – ток Iбрек. Поэтому ток коллектора Iк принципиально меньше тока эмиттера. Отношение этих токов характеризует коэффициент передачи по току:
Движение носителей заряда и токи в биполярном транзисторе при активном режиме работы Чтобы увеличить коэффициент передачи по току область базы делают тонкой, чтобы меньшее количество носителей рекомбинировало в ней, и, кроме того, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы. Таким образом, удается достичь величины коэффициента передачи по току α=0, 95 -0, 99 и более.
Несмотря на то, что в рассмотренной схеме усиления по току нет (α<1), все же коэффициент передачи по мощности может быть значительно больше единицы за счет большого усиления по напряжению. Ведь даже при малой величине коллекторного тока Iк падение напряжения на сопротивлении нагрузки Iк. Rк может быть значительным, за счет большой величины напряжения источника питания. Отметим, что в транзисторах n-p-n типа все описанные процессы протекают точно также, но полярность источников Е 1 и Е 2 должна быть противоположной, а из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны, и электроны же будут образовывать коллекторный ток в цепи источника. Следует отметить, что в процессе усиления электрического сигнала в транзисторе происходит изменение ширины базового слоя W , так как под действием внешних источников Е 1 и Е 2 толщина p-n переходов изменяется, что в условиях малой ширины базового слоя происходит ее модуляция (данное явление получило название эффект Эрли). Это приводит к ряду особенностей: 1. Чем уже становится база, тем меньшее количество инжектированных носителей будет рекомбинировать в ней и, следовательно, большее количество их достигнет коллекторного перехода и будет участвовать в образовании тока коллектора Iк. Это приведет к изменению коэффициента передачи по току. 2. Изменение тока Iк при Iэ = const приводит к зависимости Iк от Е 2 , т. е. к изменению сопротивления коллекторного перехода. 3. Поскольку при этом меняется заряд носителей в базе, то это приводит к изменению емкости p-n перехода. 4. Изменение ширины базового слоя приводит к изменению времени прохождения зарядами базовой области, т. е. к изменению частотных свойств транзистора. 5. Изменение ширины базы влияет на величину тока Iэ при неизменном значении Е 1. Как крайнюю степень проявления модуляции ширины базы следует рассматривать явление, называемое проколом базы. Прокол базы наступает тогда, когда под действием большого значения ЭДС источника питания Е 2 ширина коллекторного перехода возрастает настолько, что происходит его смыкание с эмиттерным переходом, что весьма вероятно в условиях малой толщины базовой области. При этом α=1, а транзистор пробивается.
Основные параметры биполярных транзисторов: 1. Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока: . 2. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (единицы – десятки Ом) . 3. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении (единицы наноампер – десятки миллиампер). 4. Объемное сопротивление базы (десятки – сотни Ом). 5. Выходная проводимость или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (доли – сотни мк. См) . 6. Максимально допустимый ток коллектора Iкmax (сотни миллиампер – десятки ампер). 7. Напряжение насыщения коллектор – эмиттер uкэ нас (десятые доли – один вольт). 8. Наибольшая мощность рассеяния коллектором Pкmax (милливатт десятки ватт). 9. Ёмкость коллекторного перехода cк (единицы – десятки пикофарад).
Статические характеристики биполярного транзистора Входная характеристика, выходная характеристика – основные характеристики. Входная характеристика – зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. Выходная характеристика – зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.
3. Режимы работы биполярного транзистора. Эквивалентная схема. При работе транзистора к его электродам прикладываются напряжения от внешних источников питания. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, каждый из p-n переходов может быть смещен в прямом или в обратном направлении, исходя из этого, возможны четыре режима работы транзистора. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на коллекторном переходе напряжение обратное, и он собирает носители из базы, то такое включение транзистора называют нормальным, а транзистор работает в активном (усилительном) режиме. В режиме насыщения оба p-n перехода включены в прямом направлении, переходы насыщены подвижными носителями заряда, их сопротивления малы.
В режиме отсечки оба p-n перехода включены в обратном направлении. В электродах транзистора протекают тепловые токи обратновключенных переходов. Если же на коллекторном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на эмиттерном переходе напряжение обратное, и он осуществляет экстракцию носителей из базы, то такое включение транзистора называют инверсным, а транзистор работает в инверсном режиме. При инверсном включении транзистора необходимо учитывать следующие особенности: 1. Поскольку эмиттерный переход по площади меньше, чем коллекторный, то из того количества носителей, которые инжектируются коллекторным переходом, меньшее количество собирается эмиттерным переходом, что снижает величину тока этого перехода. 2. Это приводит к изменению заряда носителей в базе и, следовательно, к изменению барьерной ёмкости переходов, т. е. к изменению частотных свойств транзистора. 3. При меньшей площади эмиттерного перехода необходимо снижать величину его тока, чтобы оставить прежней температуру нагрева полупроводниковой структуры. 3. 1. Биполярный транзистор. Активный режим. Через эмиттерный переход транзистора, работающего в активном режиме, происходит инжекция носителей заряда в базу. Инжектированные носители (ток IЭр) частично рекомбинируют в объеме базы и на его поверхности, а некоторые из них могут доходить до омического перехода с базой и рекомбинировать на нем (токи Iрекv, Iрекs, Iрек. кон). Остальные инжектированные носители пересекают базу, доходят до коллекторного перехода и увеличивают его обратный ток.
Распределение стационарных потоков носителей заряда в транзисторе в активном режиме К току носителей заряда, инжектированных эмиттером и дошедших до коллектора (IКр), добавляется ток носителей, образовавшихся в результате тепловой генерации в базе (IБ ген), в коллек торе IК ген ), ( а также в коллекторном переходе (I ген ). Кроме того, при достаточно больших напряжениях в коллекторном переходе происходит лавинное размножение носителей (I л). Могут сущест вовать токи и утечки по поверхности полупроводника. Все эти токи в сумме образуют ток коллектора.
Через эмиттер помимо тока носителей заряда, инжектируемых в базу (IЭр ), проходит ток носителей, инжектируемых из базы в эмиттер (IЭn ). В области эмиттера эти носители оказываются неос новными и рекомбинируют. Кроме того, через эмиттерный переход проходит ток, связанный с рекомбинацией носителей в области объемного заряда (IЭ рек). Ток, проходящий к выводу базы, представляет собой алгебраи ческую сумму токов основных носителей, обусловливающих инжекцию носителей в эмиттер (IЭn ), рекомбинацию в эмиттерном переходе (IЭ рек ) и в базе (Iрекv+ Iрекs), обратных токов коллектор ного ерехода (IБ ген + I л + I ген + п IК ген ), а также тока неосновных носителей заряда, дошедших до вывода базы (Iрек. кон ). Значение и направление тока базы определяются соотношением этих состав ляющих. Если рассматривать распределение токов в транзисторе с точки зрения взаимного влияния эмиттера и коллектора, то оказывается, что от тока эмиттера существенно зависит только составляющая IКр тока коллектора, обусловленная инжектированными эмиттером в базу носителями, дошедшими до коллектора, а также составляю щая тока, связанная с лавинным размножением в коллекторном переходе (I л ). Все остальные составляющие тока коллектора либо совсем не зависят от тока эмиттера, либо эта зависимость слабая (IК ген ). Кроме того, на значение тока коллектора влияет не весь эмиттерный ток, а только его составляющая IЭр , связанная с инжекцией неосновных носителей в базу. Составляющие тока эмиттера, свя занные с инжекцией из базы в эмиттер (IЭn) и рекомбинацией в области объемного заряда (IЭ рек ), хотя и зависят от напряжения на эмиттерном переходе, на ток коллектора непосредственно не влияют. Чтобы ток эмиттера эффективно управлял током коллектора, принимают меры для уменьшения всех составляющих тока, не принимающих участия в таком управлении. Прежде всего стара ются ократить с потери носителей заряда, инжектируемых в базу. Для этого:
1) толщину базы делают небольшой по сравнению с диффу зионной длиной неосновных носителей заряда, что снижает потери на рекомбинацию в объеме базы (Iрекv ); 2) поверхность полупроводника обрабатывают так, чтобы получить по возможности малое значение скорости поверхностной рекомбинации (уменьшить Iрекs ); 3) вывод базы располагают настолько далеко от эмиттера, что до него дырки практически не доходят (уменьшение Iрек. кон ); 4) размеры коллектора делают такими, чтобы он мог перехва тить есь поток носителей, идущих от в эмиттера, т. е. площадь кол лекторного перехода должна быть значительно больше площади эмиттерного перехода. В результате этих мер IЭр ≈ IКр. Для уменьшения составляющей тока носителей, инжектируе мых из базы в эмиттер (IЭn), концентрацию примесей в базе делают значительно меньшей, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что ток через эмиттерный переход состоит практически из носителей заряда, инжектируемых в базу, т. е. коэффициент инжекции (отно шение дырочного тока к полному току через переход) получается высоким. Использование для увеличения тока коллектора явления удар ной ионизации чаще всего нерационально, так как приводит к сильной зависимости тока I л от напряжения на коллекторе, т. е. к нестабильной работе транзистора. Это явление используют толь ко в лавинных транзисторах. С учетом всех перечисленных мер можно считать, что ток кол лектора транзистора в активном режиме примерно равен току эмиттера: IК ≈ IЭ, а ток базы значительно меньше как тока эмиттера, так и тока кол лектора : IБ = IЭ - IК.
3. 2. Биполярный транзистор. Режим насыщения. При работе транзистора в режиме насы щения в прямом направлении включен не только эмиттерный, но и коллекторный переход. Это приводит к тому, что не все носители, инжектированные эмиттером и дошедшие до коллекторного перехода, перехватываются им. Условно можно считать, что навстречу потоку неосновных носителей, идущих из базы в коллектор, идет поток таких же носителей из коллектора в базу, и суммарный их ток определяется разностью этих потоков. В связи с тем что в режиме насыщения коллекторный пере ход уже не осуществляет полной экстракции носителей из базы, там происходит их накопление и интенсивная рекомбинация. В режиме насыщения соотношения токов, характерные для активного режима, не выполняются, ток базы может оказаться сравнимым с током эмиттера. Распределение стационарных потоков носителей заряда в транзисторе в режиме насыщения
3. 3. Биполярный транзистор. Режим отсечки. Если на обоих переходах транзистора напря жение обратное, то через них проходят токи, обусловленные процессами тепловой генерации носителей заряда в объеме полупроводника, областях объемного заряда и на омических переходах, а также утечками. При достаточно больших напряже ниях происходит лавинное размножение.
Выводы: 1. При прямом напряжении, приложенном к эмиттерному переходу, потенциальный барьер понижается, и в базу инжектируются носители заряда. 2. Инжектированные в базу неосновные носители заряда диффундируют в сторону коллекторного перехода. 3. Вследствие того, что ширина базы транзистора мала и концентрация основных носителей заряда в ней низкая, почти все инжектированные в базу неосновные носители заряда достигают коллекторного перехода и перебрасываются полем потенциального барьера в коллектор, образуя управляемый ток коллектора. 4. Небольшая часть инжектированных носителей заряда успевает рекомбинировать в базе, образуя рекомбинированную составляющую тока эмиттера, которая замыкается через цепь базы. 5. Через цепь базы замыкается также небольшая составляющая тока эмиттера, образованная диффузией неосновных носителей заряда из базы в эмиттер, и обратный ток коллекторного перехода.
Скачать презентацию Электроника и схемотехника Лекция 3 Биполярные транзисторы
Лекция_3.pptx