Транзистор. Биполярный транзистор
 Скачать 361.5 Kb.
|
|
Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке. Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь P-n-перехода. Кроме того, для работы транзистора необходима малая толщина базы. Устройство и принцип действия  Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Транзисторы на основе арсенида галлия используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие невыпрямляющие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и слаболегирована, поэтому имеет большое омическое сопротивление. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам — большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность захвата неосновных носителей заряда из базы в коллектор и, так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, что увеличивает тепловыделение, способствует отводу тепла от коллектора), поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (нецелесообразно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате аналогичный исходному биполярный транзистор — инверсное включение). В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малым током базы можно управлять значительно бо́льшим током коллектора. Режимы работы биполярного транзистора Нормальный активный режим Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора p-n-p типа), для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид UЭБ<0;UКБ>0. Инверсный активный режим Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое. Режим насыщения Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас). Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ.нас) - это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ.отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ.нас) - это падение напряжение между базой и эмиттером на открытом транзисторе. Режим отсечки В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В). Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,7 В, или IБ=0. Барьерный режим В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов. Схемы включения Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:
Схема включения с общей базой Усилитель с общей базой. 
Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Достоинства
Недостатки схемы с общей базой
Схема включения с общим эмиттером  Iвых = Iк Iвх = Iб Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ
Достоинства
Недостатки
Схема с общим коллектором  Iвых = Iэ Iвх = Iб Uвх = Uбк Uвых = Uкэ
Достоинства
Недостатки
Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем». Основные параметры
Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:
 Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров. Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h». Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения. h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0. Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения. h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0. Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения. h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0. Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения. h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0. Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями: Um1 = h11Im1 + h12Um2; Im2 = h21Im1 + h22Um2. В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК. Для схемы ОЭ: Im1 = Imб, Im2 = Imк, Um1 = Umб-э, Um2 = Umк-э. Например, для данной схемы: h21э = Imк/Imб = β. Для схемы ОБ: Im1 = Imэ, Im2 = Imк, Um1 = Umэ-б, Um2 = Umк-б. Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:  ; ; ; .С повышением частоты вредное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Сопротивление ёмкости уменьшается, снижается ток через сопротивление нагрузки и, следовательно, коэффициенты усиления α и β. Сопротивление ёмкости эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако она шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционность процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно. В импульсном режиме импульс тока коллектора начинается с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф. ************************* Схемы включения биполярных транзисторов Транзистором называется полупроводниковый прибор, который может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Первый работоспособный биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления служил германий. А уже в 1956 году на свет появился кремниевый транзистор. В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда – электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей – электроны или дырки. В этой статье будут рассмотрены биполярные транзисторы. Долгое время транзисторы в основном были германиевыми, и имели структуру p-n-p, что объяснялось возможностями технологий того времени. Но параметры германиевых транзисторов были нестабильны, их самым большим недостатком следует считать низкую рабочую температуру, - не более 60..70 градусов Цельсия. При более высоких температурах транзисторы становились неуправляемыми, а затем и вовсе выходили из строя. Со временем кремниевые транзисторы начали вытеснять германиевых собратьев. В настоящее время в основном они, кремниевые, и применяются, и в этом нет ничего удивительного. Ведь кремниевые транзисторы и диоды (практически все типы) сохраняют работоспособность до 150…170 градусов. Кремниевые транзисторы также являются «начинкой» всех интегральных микросхем. Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества. Придя на смену электронным лампам, они не просто заменили их, а совершили переворот в электронике, удивили и потрясли мир. Если бы не было транзисторов, то многие современные приборы и устройства, такие привычные и близкие, просто не появились на свет: представьте себе, например, мобильный телефон на электронных лампах! Подробнее об истории транзисторов смотрите здесь. Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией производства, хотя существуют и кремниевые транзисторы типа p-n-p, но их несколько меньше, нежели структуры n-p-n. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами). Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819 и КТ818. В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA1943 и 2SC5200. Часто транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости, а структуры n-p-n обратной. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь. На рисунке 1 показано схематичное устройство транзисторов и их условные графические обозначения.  Рисунок 1. Кроме различия по типу проводимости и материалу, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеивания на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3…3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности свыше 3 Вт мощность считается большой. Современные транзисторы в состоянии рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт. Транзисторы усиливают электрические сигналы не одинаково хорошо: с увеличением частоты усиление транзисторного каскада падает, и на определенной частоте прекращается вовсе. Поэтому для работы в широком диапазоне частот транзисторы выпускаются с разными частотными свойствами. По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, - рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные – 3…30 МГц, высокочастотные – свыше 30 МГц. Если же рабочая частота превышает 300 МГц, то это уже сверхвысокочастотные транзисторы. Вообще, в серьезных толстых справочниках приводится свыше 100 различных параметров транзисторов, что также говорит об огромном числе моделей. А количество современных транзисторов таково, что в полном объеме их уже невозможно поместить ни в один справочник. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками. Существует множество транзисторных схем (достаточно вспомнить количество хотя бы бытовой аппаратуры) для усиления и преобразования электрических сигналов, но, при всем разнообразии, схемы эти состоят из отдельных каскадов, основой которых служат транзисторы. Для достижения необходимого усиления сигнала, приходится использовать несколько каскадов усиления, включенных последовательно. Чтобы понять, как работают усилительные каскады, надо более подробно познакомиться со схемами включения транзисторов. Сам по себе транзистор усилить ничего не сможет. Его усилительные свойства заключаются в том, что малые изменения входного сигнала (тока или напряжения) приводят к значительным изменениям напряжения или тока на выходе каскада за счет расходования энергии от внешнего источника. Именно это свойство широко используется в аналоговых схемах, - усилители, телевидение, радио, связь и т.д. Для упрощения изложения здесь будут рассматриваться схемы на транзисторах структуры n-p-n. Все что будет сказано об этих транзисторах, в равной степени относится и к транзисторам p-n-p. Достаточно только поменять полярность источников питания, электролитических конденсаторов и диодов, если таковые имеются, чтобы получить работающую схему. |