WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики В.В.Тогатов, Ф.П.Балобей БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Учебное пособие по курсу "Электроника" Санкт-Петербург 2004 БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР 1. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор, состояший из трех областей с различными типами проводимости и двумя взаимодействующими р-n - переходами.

Основное назначение транзистора - усиление или переключение электрических сигналов.

В зависимости от чередования областей полупроводниковых слоев различают n-p-n и p-n-p – транзисторы. Структура и условные графические обозначения обоих типов транзисторов показаны на рис.1.

Эмиттер Э (n+ или р+) – область с наибольшей степенью легирования, что обозначается знаком +, предназначен для инжекции носителей (электронов или дырок) в базовую область. Рn-переход, прилегающий к эмиттеру, называют эмиттерным. В условном обозначении транзистора эмиттер отмечен стрелкой, направление которой указывает техническое направление эмиттерного тока, а следовательно, и полярность напряжений, действующих на его выводах. Как видно из рис.1, для создания токов коллектора и базы в n-р-n-транзисторе потенциалы базового (Б) и коллекторного (К) выводов должны быть выше потенциала эмиттерного вывода; в p-n-p- транзисторе имеют место обратные соотношения этих величин.

Рис.1 База Б,расположенная между эмиттером и коллектором, предназначена для управления потоком носителей, инжектируемых эмиттером. Если база легирована однородно (т.е. концентрация акцепторной примеси в р-базе Na(x) или донорной примеси в n-базе Nd(x) одинакова в каждой точке базы), то движение неосновных носителей в базе осуществляется только за счет диффузии. Такие транзисторы называются бездрейфовыми. В реальных биполярных транзисторах, изготовленных по диффузионной технологии, база легирована неоднородно: Na(х)не равно const или Nd(х)не равно const. В базовых областях таких транзисторов имеется внутреннее электрическое поле Е, обуслoвливающее дрейфовый характер движения неосновных носителей в базе. Такие транзисторы называются дрейфовыми.

Физически появление электрического поля в базе связано с необходимостью компенсации диффузионного потока основных носителей в базе, направленного в сторону уменьшения их концентрации. Важно подчеркнуть, что для неосновных носителей - электронов в базе n-р-n-транзистора и дырок в базе р-n-ртранзистора, поле является ускоряющим и способствует их быстрому переносу от эмиттера к коллектору.

Коллектор К предназначен для экстракции (вытягивания) неосновных носителей из базы в коллектор электрическим полем своего p-n - перехода. Р-n-переход, прилегающий к коллектору, называется коллекторным.

В зависимости от направления смещения эмиттерного и коллекторного переходов различают четыре режима работы транзистора:

1) режим отсечки, когда оба перехода смещены в обратном направлении (р-область отрицательна относительно обеих nобластей);

2) режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом направлении;

3) активный режим, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном;

4) инверсный активный режим, когда коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный - в обратном.

В качестве примера рассмотрим n-p-n-транзистор (рис.2),у которого напряжение между базой и эмиттером Uбэ=0,6 В, а между коллектором и эмиттером Uкэ=0,4 В.

Определим, в каком режиме работает транзистор.

Рис. Так как Uбэ=0,6 В положительно, то эмиттерный переход смещен в прямом направлении (потенциал р-базы выше потенциала nэмиттера). Для того, чтобы найти напряжение на коллекторном переходе Uбк, воспользуемся 2-м законом Kирхгофа:

Uбк = Uбэ - Uкэ = 0,6-0,4 = 0,2 В.

Так как напряжение Uбк положительно, то потенциал р-базы выше потенциала n-коллектора. Следовательно, коллекторный переход также смещен в прямом направлении. Таким образом, транзистор работает в режиме насыщения.

Режимы отсечки и насыщения используются при работе транзистора в ключевых схемах (с двумя состояниями "включено""выключено"). Активный режим используется при работе транзистора в усилителях или генераторах. Инверсный режим используется в схемах двунаправленных переключателей, построенных на симметричных транзисторах.

В транзисторных схемах один вывод прибора используется для входного сигнала, другой - для выходного сигнала. Третий вывод является общим для входного и выходного сигналов. В зависимости от того, какой именно вывод является общим, различают три схемы включения транзистора:

1) с общим эмиттером (ОЭ), 1) с общей базой (ОБ), 2) с общим коллектором (ОК).

Как видно из рис.3, для схемы с ОБ (рис.3,а) входным током является ток эмиттера, выходным - ток коллектора; входным напряжением – напряжение эмиттер - база, выходным - коллектор - база. Для схемы с ОЭ (Рис.3,б)входным током является ток базы, а выходным - ток коллектора; входным напряжением является напряжение база - эмиттер, выходным - напряжение коллектор – эмиттер. Для схемы с ОК (рис.3,в) входным током является ток базы, а выходным - ток эмиттера; входным напряжением является напряжение база - коллектор, выходным - напряжение эмиттер – коллектор.

а) б) в) Рис. С определением входных и выходных величин связано понятие коэффициента усиления по току транзистора, который равен отношению выходного тока к входному. В схеме с ОЭ, где входным является ток базы, а выходным ток коллектора, коэффициент усиления по току равен = Iк/Iб. В схеме с ОБ, где входным является ток эмиттера, а выходным - ток коллектора, коэффициент усиления по току равен = Iк/Iэ. По первому закону Кирхгофа Iэ = Iк – Iб, т.е. Iк < Iэ.



Следовательно, < 1 и усиления по току в схеме с ОБне происходит.

2.ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ Рассмотрим n-р-n-транзистор, включенный по схеме с ОЭ (рис.4).

Будем считать, что транзистор работает в активном режиме, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. На рис.4 показано схематическое изображение n-p-n-транзистора, а также направления токов электронов и дырок в различных областях транзистора. Так как направления потоков и токов электронов противоположны (вследствие отрицательного заряда электронов), на рис.4 отдельно показаны электронные токи (сплошными стрелками) и соответствующие потоки электронов (пунктирными стрелками).

Рис. Вследствие прямого смещения эмиттерного перехода (потенциал р-базы выше потенциала n-эмиттера) осуществляется инжекция электронов из эмиттера в базу (ток электронов Inэ) и дырок из базы в эмиттер (ток дырок Ipэ). Сумма электронного и дырочного токов через эмиттерный переход равна току эмиттера Iэ, который представляет собой ток электронов, поставляемых эмиттерным контактом для компенсации ушедших из эмиттера электронов, и поступивших в эмиттер дырок. Таким образом, соотношение (1) представляет собой уравнение зарядовой нейтральности эмиттера.

Так как процесс усиления определяется только потоком электронов, достигших коллектора, для эффективной работы транзистора должно выполняться условие Inэ >> Ipэ. Это достигается за счет того, что концентрация доноров в эмиттере на два-четыре порядка выше максимальной концентрации акцепторов в базе. Количественно эффективность инжекции определяется коэффициентом инжекции (2) Следовательно, ток электронов, поступивших из эмиттера в базу, может быть записан в виде. (3) Величина у современных транзисторов составляет 0,98-0,995.

Электроны, поступившие из эмиттера в базу, перемещаются по направлению к коллектору, во-первых, под действием градиента их концентрации (ток диффузии), во-вторых, под действием ускоряющего внутреннего поля (ток дрейфа). По мере движения в базе электроны рекомбинируют с основными носителями (дырками).

Дырки, исчезнувшие в результате рекомбинации, компенсируются равным количеством дырок, поступивших с базового контакта (ток дырок Ipr). Для уменьшения рекомбинационных потерь толщина базы Wб должна быть много меньше диффузионной длины электронов в ней Ln, т.е.

где Dn - коэффициент диффузии электронов, tn- время жизни электронов в базе. Количественно рекомбинационные потери в базе определяются коэффициентом переноса (4) где Inк - ток электронов, достигших коллекторного перехода. В современных транзисторах рекомбинационные потери малы и ближе к 1, чем. С учетом формул (3) и (4) величину Inк можно связать с током эмиттера:

. (5) Величина = · называется коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток коллектора Iк отличается от Inк на величину тока обратно смещенного коллекторного перехода Iкбо:

=. (6) Ток Iкбо следует учитывать только в режиме отсечки, так как в других режимах Iэ >> Iкбо (на несколько порядков).

Следовательно, в рассматриваемом режиме. (7) Из определения коэффициента усиления по току транзистора следует, что коэффициент передачи эмиттерного тока равен коэффициенту усиления по току в схеме с ОБ. Таким образом, характеризует усилительные свойства транзистора и в реальных приборах лежит в диапазоне 0,95-0,995. Важно подчеркнуть, что в активном режиме практически для всех транзисторов справедливо приближенное равенство Iк Iэ (так как всегда близок к 1).

Выразим коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером = Iк /Iб через величину, имея в виду, что по 1-му закону Кирхгофа Iб = Iэ – Iк :

. (8) Из выражения (9) следует, что малому изменению (например, за счет роста тока коллектора) соответствует большое изменение коэффициента усиления по току. Например, изменению от 0,до 0,995, т. е. на 5%, соответствует изменение от 20 до 200, т.е. на 900%! Из этого примера видно, как важно иметь значения коэффициентов инжекции и переноса близкими к 1.

Ток, поступающий в базу Iб (с базового контакта), равен. (9) Он является током дырок и имеет две составляющие: одна идет на восполнение диффузионной утечки дырок в эмиттер Ipэ (она определяется величиной ), другая - на покрытие рекомбинационных потерь Iрr (она определяется величиной ). Составляющие токов электронов и дырок в базе связаны условием зарядовой нейтральности. Согласно этому условию разность токов электронов, входящего в базу и выходящего из нее, равна аналогичной разности токов дырок:

. (10) Из условия зарядовой нейтральности очевидна суть усиления базового тока в транзисторе. Будем для простоты считать, что ток базы полностью идет на покрытие рекомбинационных потерь, т.е.

Iб=Iрr. Так как база выполняется узкой, то почти все носители (электроны), инжектированные эмиттером, достигают коллекторного перехода и создают ток коллектора. Поэтому несмотря на то, что токи Inэ и Inк являются большими величинами, практически равными току коллектора, их разность Inэ-Inк очень мала - порядка 0,01Iк.





Согласно условию зарядовой нейтральности (10) так же мал и ток базы. Таким образом, транзистор позволяет с помощью малого тока базы управлять большим коллекторным током.

Все электроны, достигшие коллекторного перехода, поступают в коллектор, несмотря на то, что коллекторный переход смещен в обратном направлении. Это объясняется тем, что электроны являются неосновными носителями в базе, для которых потенциальный барьер не является препятствием. В коллекторе электроны движутся (дрейфуют) к коллекторному контакту, причем количество электронов, поступивших в коллектор, равно количеству электронов ушедших через коллекторный контакт. Таким образом, условие зарядовой нейтральности в коллекторе можно представить в виде (11).

Рассмотрим работу транзистора в режиме насыщения. В этом режиме и эмиттерный и коллекторный р-n-переходы смещены в прямом направлении, причем напряжение на эмиттерном переходе всегда больше, чем на коллекторном. Чтобы понять смысл режима насыщения, обратимся к схеме рис.5, которая отличается от аналогичной схемы рис.4 наличием сопротивления Rк в цепи коллектора, включенного между источником напряжения и коллектором транзистора.

Рис. В активном режиме с ростом тока базы ток коллектора растет согласно соотношению Iк = ·Iб, в котором коэффициент усиления по току в первом приближении можно считать постоянным. Вместе с тем, согласно 2-му закону Кирхгофа ток коллектора ограничен величиной (12) В этом выражении (Uкэ)нас = (0,05-0,2)В - напряжение насыщения транзистора. Если выполняется условие (13) то ток коллектора перестает увеличиваться с ростом тока базы.

Транзистор переходит в режим насыщения, что сопровождается смещением коллекторного перехода в прямом направлении. Например, если Uкк = 10 В, Rк = 100 Ом, =50, то переход транзистора в режим насыщения произойдет при токах базы, превышающих следующую величину:

= = 2 мА.

Зависимость тока коллектора Iк от тока базы Iб, построенная при условии постоянства и (Uкэ)нас<

Физический смысл этого режима заключается в том, что при ·Iб > Uкк/Rк в базу поступает дырок больше, чем это необходимо для Рис.компенсации рекомбинационных потерь (ток Iрr) и диффузионной утечки дырок в эмиттер (ток Ipэ). Для сохранения зарядовой нейтральности базы избыток положительно заряженных дырок должен быть скомпенсирован либо за счет дополнительной инжекции отрицательно заряженных электронов из коллектора в базу, либо часть дырок должна уйти (инжектироваться) из базы в коллектор. И в том, и в другом случае это приводит к смещению коллекторного перехода в прямом направлении. Причем имеет место накопление избыточного заряда носителей (электронов и дырок) в базе и коллекторе. Напряжение коллектор - эмиттер в режиме насыщения (Uкэ)нас минимально, так как напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах направлены встречно:

. (14) Следовательно, минимальна и мощность, рассеиваемая на транзисторе:

. (15) Это главное достоинство режима насыщения.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. Через транзистор протекает сравнительно небольшой ток утечки, который вместе с тем в раз превышает ток насыщения обратносмещенного коллекторного перехода Iкбо:

. (16) Физически это связано с тем, что ток насыщения коллекторного перехода играет роль базового тока, вызывающего в раз больший коллекторный ток.

3. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Основными статическими характеристиками являются входные, выходные и передаточные.

Входные характеристики устанавливают связь входного тока Iб с входным напряжением Uбэ при постоянном напряжении коллекторэмиттер Uкэ:

при Uкэ = const. (17) Характер этой зависимости определяется эмиттерным р-n - переходом, смещенным в прямом направлении, т.е. является экспоненциальным:

. (18) Здесь Is - ток насыщения эмиттерного перехода. Величина m в показателе экспоненты с ростом тока изменяется в пределах 1

Рис. Из рис.7 видно, что заметное изменение тока базы начинается с определенных значений напряжения Uбэ. Для приборов на основе кремния величина этого напряжения составляет (0,5 - 0,6)В. При дальнейшем увеличении напряжения Uбэ происходит резкий рост базового тока, поэтому рабочий диапазон изменения напряжения Uбэ обычно не превышает 0,2 В. С ростом напряжения коллектор эмиттер Uкэ характеристики смещаются вправо, и тому же значению напряжения Uбэ соответствуют меньшие базовые токи ( Iб3

Отмеченное смещение характеристик связано с проявлением эффекта Эрли.

Суть эффекта Эрли заключается в том, что с ростом напряжения Uкэ увеличивается ширина области пространственного заряда (ОПЗ) коллекторного перехода и соответственно уменьшается ширина базовой области. Это приводит к снижению рекомбинационных потерь (составляющей тока базы Iрr) и уменьшению утечки дырок из базы в эмиттер (составляющей тока базы Ipэ). Соответственно уменьшается и ток базы Iб, равный сумме Iрr и Ipэ.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.