Биполярный транзистор13.10.2021 09:31

1. Основные сведения

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Свое имя »TRANSferresISTOR» (дословно — «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков — как дырок, так и электронов.

Рис. 1. Упрощенный вид внутреннего устройства биполярного транзистора p-n-p структуры.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р+ область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа — коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором — коллекторным.

Расстояние между металлургическими границами переходов называется физической толщиной базы «L» .
Расстояние между обедненными зонами называется эффективной толщиной базы «W».

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие $L<\lambda$ , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия $W<\lambda$ , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования — концентрация акцепторной примеси NA в эмиттере кремниевого транзистора достигает ~ 1017 — 1018 ат/см³ (этот факт обозначен символом р+). Область базы легирована нормально — концентрация донорной примеси ND в ней составляет ~ 1013 — 1014 ат/cм³. В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

тонкая база — $W<\lambda$ ;
односторонняя диффузия (несимметичный эмиттерный переход)

Областьколлектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу. Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла.

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

низкочастотные не более 3 МГц;
средней частоты — от 3 МГц до 30МГц;
высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;
сверхвысокочастотные — более 300 МГц

По мощности выделяют следующем образом:

маломощные — не более 0,3 Вт;
средней мощности — от 0,3 Вт до1,5 Вт;
большой мощности — более 1,5 Вт.

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные транзисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносекундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением Uэб, а коллекторный закрыт обратным смещением Uкб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от »+» к »–»), дырки обозначены открытыми, а электроны — закрытыми кружками. Сокращения: ЭП — эмиттерный переход, КП — коллекторный переход.

Рис. 2. Иллюстрация принципа действия биполярного транзистора p-n-p структуры.

Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе — дырок слева 1017 см-3, а справа 106 см-3. Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника Uэб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус — становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

I’_к = αI_э, (2.1)

где α — доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера. Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α <1. При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника Uэб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:

$I'_n=( 1- \alpha) I_э$ (2.2)

В цепи коллектора кроме управляемого тока I’_к = αI_э протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток Iкб⁰, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения Uкб, а зависит только от температуры. Обратный ток коллектора Iкб⁰ измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс »0» (ноль).

Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен

$I_к = \alpha I_э + I_{кб0}.$ (2.3)

В нормальных условиях работы $I_{кб0} <<I_б, I_к, I_э$ поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен

I_к = αI_э, (2.4)

а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен

I_б = (1- α) I_э (2.5)

Согласно первому закону Кирхгофа,

(2.6)

Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы

β = I_к/I_б = α/ (1- α). (2.7)

Коэффициент связан с коэффициентом соотношением

(2.8)

3. Режимы работы и способы включения

Рис. 3.1. Условное обозначение на схеме биполярного транзистора p-n-p структуры и n-p-n структуры .

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.
Режим насыщения— оба перехода открыты.
Режим отсечки— оба перехода закрыты.
Инверсный режим— эмиттерный переход закрыт, коллекторный — открыт.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК). На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

Рис. 3.2. Схемы включения транзистора слева направо: схема с ОБ, ОЭ и ОК.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной — цепь коллектора. Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение Uэб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение Uкб — к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной — цепь коллектора. Напряжение Uбэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение Uкэ той же полярности распределяется между обоими переходами: Uкэ = Uкб + Uбэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие Uкб = Uкэ — Uбэ> 0, что обеспечивается неравенством Uкэ> Uбэ> 0.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной — цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами — входными и выходными напряжениями и токами: Uвх = U1, Uвых = U2, Iвх = I1, Iвых = I2. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае

U_1=H_1(I_1,U_2) ; (4.1)

I_1=H_2(I_1,U_2).

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

$U_1={f_1(I_1)}_{U_2=const}$ (4.2)

$I_2={f_2(U_2)}_{I_1=const}$ (4.3)

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

$I_1={\varphi_1(U_1)}_{U_2=const}$ (4.4)

Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера Iэ, а выходным — ток коллектора Iк, соответственно, входным напряжением является напряжение Uэб, а выходным — напряжение Uкб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

$I_э={\varphi_1(U_{эб})}_{U_{кб}=const}$ (4.5)

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость Iэ от Uкб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода Uкб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту Iэ. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений $|U_{эб}|$ . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение Uэб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым ( $I_э \approx 0$ ) и при прямых напряжениях $|U_{эб}| <|U_{эбпор}|$ .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

$I_к={f_2(U_{кб})}_{U_{эб}=const}$ (4.6)

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Рис. 4.1. Семейства входных (а) и выходных (б) характеристик биполярного транзистора в схеме с ОБ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

$I_к = αI_э + I_{кб0}$ (4.7)

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения Uкб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении Uкб имеет место небольшой рост Iк, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При Iэ = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (Iк = Iкб⁰).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение Uкб, большее порогового значения Uкб пор, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току Iк. Этот ток называют инверсным. Инверсный ток резко увеличивается с ростом $|U_{кб}|$ , в результате чего Iк очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы Iб, а выходным — ток коллектора Iк. Соответственно, входным напряжением является напряжение Uбэ, а выходным — Uкэ.

Рис. 4.2. Семейства входных (а) и выходных характеристик (б) биполярного транзистора в схеме с ОЭ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

$I_б=\varphi_1(U_{бэ})_{U_{кэ}=const}$ (4.8)

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы Iб от напряжения на коллекторе Uкэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом Uкэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений Uбэ. Следует отметить, что Iб = 0 при некотором значении Uпор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)Iэ становится равным тепловому току Iкэ0. При Uбэ что соответствует режиму отсечки.

При Uкэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.

Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

                                   $I_к=f_2(U_{кэ})_{I_б=const}$ (4.9)

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6 б. Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда

                         $I_к= \frac{\alpha}{1-\alpha}I_б + \frac{I_{кб0}}{1-\alpha}=\beta I_б+I_{кэ0}$ (4.10)

Ток Iкэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),

        $I_{кэ0} \approx βI_{кб0}.$                                     (4.11)

Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение Uкэ распределено между обоими переходами. При Uкэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при Uкэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. Iк становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы. Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост Iк при увеличении Uкэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока Iк с ростом напряжения Uкэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем Iкб⁰, сквозного теплового тока Iкэ0 (4.11).

© Habrahabr.ru