Лачин Электроника. Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты

• Название: Электроника рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия ля студентов высших технических учебных заведений РостовнаДону Феникс 2001 Рецензенты
• Анкор: Лачин Электроника.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 7.57 Mb.
• Имя файла: Лачин Электроника.doc
• Тип: Учебное пособие; #535
• страница: 3 из 17

1.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на исполь­зовании носителей заряда обоих знаков (дырок и элект­ронов), а управление протекающим через него током осу­ществляется с помощью управляющего тока.

Биполярный транзистор является наиболее распрост­раненным активным полупроводниковым прибором.
1.2.1. Устройство и основные физические процессы

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (р-п-р или п-р-п) и соответственно два p-n-перехода. 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.

Дадим схематическое, упрощенное изображение струк­туры транзистора типа п-р-п (рис. 1.51, а) и два допусти­мых варианта условного графического обозначения (рис. 1.51, б).

Транзистор типа р-п-р устроен аналогично, упрощен­ное изображение его структуры дано на рис. 1.52, а, более простой вариант условного графического обозначения — на рис. 1.52, б.



Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители элект­ричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

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

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного пере­хода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественное своеобразие структуры транзистора. Для определенности обратимся к транзистору типа п-р-п. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два со­единенных p-n-перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 1.53.

Для понимания принципа работы транзистора исклю­чительно важно учитывать, что p-n-переходы транзисто­ра сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Имен­но это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 1.54).

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока дру­гого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно про­стую главную причину, а именно: очень малое расстояние

между переходами транзистора (от 20—30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Имен­но эта количественная особенность структуры создает ка­чественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточ­но часто реализуется следующий способ получения устрой­ства, обладающего новым качеством: особым образом со­единяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента. При изучении дифференциального усилителя станет ясно, что новое качество можно получить при использовании в роли таких элементов уже самих двух транзисторов.

Основные физические процессы. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнит тельно 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. 1.55). 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 рекомбиниру-ет в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы i₆. Из изложенного следует, что

i₆<э.

Обратное смещение коллекторного перехода способ­ствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захваты­ваются электрическим полем перехода и переносятся в коллектор. В то же время это поле препятствует переходу электронов из коллектора в базу.

Ток коллектора i_Kлишь незначительно меньше тока эмиттера, т. е. i_K i₃. Более точно:



где а_ст — так называемый статический коэффициент пе­редачи эмиттерного тока (термин статический подчер­кивает тот факт, что этот коэффициент связывает по­стоянные токи);

1_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 1_копротекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю.

Различают диффузионные (бездрейфовые) и дрейфо­вые транзисторы. В диффузионных транзисторах концентрация атомов примесей в базе примерно одинакова во всех ее частях, поэтому ионы атомов примесей не созда­ют в базе дополнительное электрическое поле, которое влияло бы на движение носителей электричества через базу При этом движение этих носителей проходит глав­ным образом в форме диффузии. В дрейфовых транзисто­рах указанная концентрация различна в различных точках базы. Это приводит к появлению дополнительного элек­трического поля, которое оказывает существенное влияние на движение носителей через базу (говорят, что носители дрейфуют под действием этого поля). Дрейф ускоряет движение носителей через базу, поэтому дрейфо­вые транзисторы часто отличаются высоким быстродей­ствием.

1.2.2. Характеристики и параметры

Рассмотрим характерные схемы включения транзисто­ра и соответствующие характеристики.

Схема с общей базой. Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с об­щей базой, так как база является общим электродом для ис­точников напряжения. Изобразим ее с использованием ус­ловного графического обозначения транзистора (рис. 1.56).

Транзисторы традиционно характеризуют их так назы­ваемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока i_э от напряжения и_6э при заданном на­пряжении и_к6, т. е. зависимость вида



где f-некоторая функция.

Входной характеристикой называют и график соответ­ствующей зависимости (это справедливо и для других ха­рактеристик).

Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока i_к от напряжения и_кбпри за­данном токе i_э, т. е. зависимость вида


где f— некоторая функция.

Входные характеристики для схемы с общей базой. Каж­дая входная характеристика в значительной степени оп­ределяется характеристикой эмиттерного перехода и по­этому

аналогична характеристике диода. Изобразим входные характеристики кремниевого транзистора КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора — 300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор-база — 30 В при t < 70° С) (рис. 1.57) . Сдвиг характерис­тик влево при увеличении напряжения и_кбобъясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта мо­дуляции толщины базы).

Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения и_кб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n-переход). Если концен­трация атомов примеси в базе меньше концентрации ато­мов примеси в коллекторе, то расширение коллекторно-




КТ603А


го 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_э напряжение и_бэуменьшается. Как было отмечено при рас­смотрении диода, при малом по модулю обратном напря­жении на р-n-переходе это напряжение влияет на шири­ну перехода больше, чем при большом напряжении. Поэтому различные входные характеристики, соответству­ющие различным напряжениям и_кб, независимо от типа транзистора практически сливаются, если и_кб > 5 В (или даже если и_кб > 2 В).

Входные характеристики часто характеризуют диффе­ренциальным сопротивлением г_диф, определяемым анало­гично дифференциальному сопротивлению диода.

Теперь



Выходные характеристики для схемы с общей базой. Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.58).

Как уже отмечалось, если коллекторный переход сме­щен в обратном направлении (и_кб> 0), то ток коллектора примерно равен току эмиттера: i_к i_э. Это соотношение сохраняется даже при и_кб= 0 (если ток эмиттера достаточ­но велик), так как и в этом случае большинство электро­нов, инжектированных в базу, захватывается электри­ческим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.

Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении (и_кб < 0), ток коллектора становится равным нулю, так как при этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу (или дырок из базы в коллектор). Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор тех электронов, которые были инжектированы эмиттером. Ток коллектора становится равным нулю при выполнении условия и_кб < 0,75 В.

Режим, соответствующий первому квадранту характе­ристик (и_кб> 0, i_к> 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзисто­ра. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (и_кб < 0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.

Обратный ток коллектора 1_комал (для КТ603А 1_ко< 10 мкА при t < 25°С). Поэтому выходная характеристика, со­ответствующая равенствам /_э = 0 и i_K— а_ст • /_э + 1_ко= 1_ко, практически сливается с осью напряжений.

При увеличении температуры ток /_ко возрастает (для КТ603 1_ко 100 мкА при t < 85° С) и все выходные харак­теристики несколько смещаются вверх.

Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током 1_ко, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вбли­зи оси напряжений называют областью отсечки.

В активном режиме напряжение и_кби мощность р_к = = i_K • и_к6, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном пе­реходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не пе­регрелся, должно выполняться неравенство

Р_к <Р к макс
где Р_кмакс— максимально допустимая мощность (для КТ603А Р_кмаке =500 мВт при t < 50° С).

График зависимости i_K= Р_кмакс,/и_кб(гипербола) изобра­жен на выходных характеристиках пунктиром.

Таким образом, в активном режиме эмиттерный пере­ход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в



прямом направлении, в режиме отсечки коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный или смещен в обратном направлении, или находится под очень малым прямым напряжением.

Транзистор часто характеризуют так называемым диф­ференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока а, который определяется выражением



Для приращения тока коллектора Аi_к и приращения тока эмиттера Аi_э можно записать:



Коэффициент а несколько изменяется при изменении режима работы транзистора. Важно учитывать, что у раз­личных (вполне годных) экземпляров транзистора одно­го и того же типа коэффициент а может заметно отличать­ся. Для транзистора КТ603А при t = 25° С а = 0,909 ... 0,988.

Наличие наклона выходных характеристик, отражаю­щее факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера при увеличении напряжения и_к6, объясняется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектирован­ных эмиттером, переходит в коллектор.

Наклон выходных характеристик численно определя­ют так называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода:







С учетом эффекта Эрли


Схема с общим эмиттером. Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующими схе­ме, представленной на рис. 1.59. Эту схему называют схе­мой с общий эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.

Для этой схемы входной характеристикой называют за­висимость тока i_бот напряжения и_бэ при заданном напря­жении и_кэ, т. е. зависимость вида



где f— некоторая функция.

Выходной характеристикой называют зависимость тока i_кот напряжения и_кэ при заданном токе i₆, т. е. зависимость вида




КТ603А



где f— некоторая функция

Очень важно уяснить следующих два факта.

1. 
   Характеристики для схемы с общим эмиттером не отражают никакие новые физические эффекты по сравнению с характеристиками для схемы с общей базой и не несут никакой принципиально новой информации о свой­ствах транзистора. Для объяснения особенностей ха-­
   рактеристик с общим эмиттером не нужна никакая информация кроме той, что необходима для объяснения особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не менее характеристики для схемы с общим эмиттером очень широко используют на практике (и приводят в
   справочниках), так как ими удобно пользоваться.
   
2. 
   При расчетах на компьютерах моделирующие про­граммы вообще никак не учитывают то, по какой схеме включен транзистор. Программы используют математи­ческие модели транзисторов, являющиеся едиными для всевозможных схем включения. Тем не менее, очень полезно уметь определить тип схемы включения транзисто­ра. Это облегчает понимание принципа работы схемы.
   

Входные характеристики для схемы с общим эмиттером. Изобразим характеристики уже рассмотренного транзис­тора КТ603А (рис. 1.60). Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения и_кэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением

Выходные характеристики для схемы с общим эмитте­ром. Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.61).

Обратимся к ранее полученному выражению



В соответствии с первым законом Кирхгофа




и с учетом предыдущего выражения получим



откуда




Введем обозначение:







Коэффициент β_ст называют статическим коэффициен­том передачи базового тока. Его величина обычно состав­ляет десятки — сотни (это безразмерный коэффициент).

Легко заметить, что


Введем обозначение

В итоге получаем

Это выражение в первом приближении описывает вы­ходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.

Для учета наклона выражение записывают в виде



В первом приближении r`_к= (1/1+β_cт) • r_к(сопротивле­ние r_копределено выше).

Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока β.


Для приращения тока коллектора Δi_ки тока базы Δi_б
можно записать:

По определению




Для транзистора КТ603А при t = 25°С B= 10...80.

Величина B зависит от режима работы транзистора. Приведем типичный график зависимости B от тока эмит­тера (он практически равен току коллектора) для и_кб= 2 В (рис. 1.62).

Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного выше условия р_к < Р_к.макс, дол­жны выполняться условия

1_к < 1_кмакс и и_кэ≤U_{кэ.макс,,}

где 1_кмакси и_{кэ.макс}— соответственно максимально допус­тимый постоянный ток коллектора и максимально допу­стимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.

Для рассмотренного выше транзистора К.Т603А 1_кмак= 300 мА, U_{кэ.макс}= 30 В (при

t < 70° С).

Изобразим схематически на выходных характеристиках для схемы с общим эмиттером так называемую область безопасной работы, в которой указанные условия выпол­няются (рис. 1.63).

Обычно допустимо предполагать (с той или иной по­грешностью), что выходные характеристики для схемы с общим эмиттером расположены на отрезках прямых, рас­ходящихся веерообразно из одной точки на оси напряже­ний (рис. 1.64).

Напряжение U_э(это положительная величина) называ­ют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А U_э 40 В.

Инверсное включение транзистора. Иногда транзистор работает в таком режиме, что коллекторный переход сме-



щен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер —роль коллектора. Это так называемый инверсный режим. Ему соответствует так называемый инверсный коэффици­ент передачи базового тока Bi. Из-за отмеченных выше несимметрии структуры транзистора и различия в концен­трациях примесей в слоях полупроводника обычно βi<<β. Часто βi»1.

Изобразим выходные характеристики для схемы с об­щим эмиттером и для прямого, и для инверсного вклю­чения (рис. 1.65).


Рис. 1.65
1.2.3. Математические модели биполярного транзистора

Рассмотрим различные математические модели бипо­лярного транзистора.

Простейший вариант модели Эберса—Молла с двумя ис­точниками тока, управляемыми токами. Как и для диода, математическая модель транзистора — это совокупность эквивалентной схемы и математических выражений, опи­сывающих элементы этой схемы.

Эберс и Молл предложили в 1954 г. модель, различные варианты которой с развитием вычислительной техники и машинных методов анализа электронных схем стали широко использоваться на практике.

Рассмотрим простейший вариант модели (рис. 1.66), характерный использованием двух управляемых источни­ков. Каждый из них является источником тока, управля­емым током.

Определим еще не описанные величины:

а_ст1 — коэффициент передачи коллекторного тока (т. е. инверсный коэффициент передачи тока, индекс Iозначает инверсное включение);

i_кс, i_эв — соответственно ток насыщения (тепловой ток) коллектора и эмиттера.

Обратим внимание на то, что тепловой ток обычно зна­чительно меньше обратного тока соответствующего пере­хода: ток i_кс << i_ко. Это необходимо помнить при исполь­зовании систем схемотехнического моделирования.

Именно источники тока, управляемые токами, отража­ют взаимодействие р-n-переходов транзистора.

Используя первый закон Кирхгофа, можно записать:



Исключительно поучительным является детальное изу­чение этой, казалось бы, элементарной математической модели, особенно если это изучение включает численные расчеты по приведенным формулам. Здесь следует учиты­вать, что для ручного анализа схемы с управляемыми ис­точниками обычно оказываются кардинально более слож­ными, чем без них. Часто трудно осознать характер влияния на режим работы схемы того или иного управля­емого источника.

Практически используемые модели дополняются кон­денсаторами и резисторами. В таких моделях используют достаточно сложные математические зависимости. Эти модели хорошо моделируют транзистор и в установивших­ся, и в переходных режимах, и при прямом, и при инвер­сном включении.

Вариант модели Эберса—Молла с одним источником тока, управляемым током. Часто допустимо считать, что

Это равенство обосновывают, детально рассматривая физическую картину процессов в идеальном транзисторе. Для реальных транзисторов это равенство часто выполня­ется с большой погрешностью. Обозначим

Из выражения

следует, что

Обозначим

Коэффициент B_cmi называют статическим коэффици­ентом передачи базового тока для инверсного включения (обратным коэффициентом усиления тока в схеме с об­щим эмиттером).

Из последнего выражения следует, что

Используя выражения для i_э и i_к, получим

С учетом соотношения между α_ст и β_ст и между α_ст1 и β_ст1 получим

После преобразований эти соотношения примут следу­ющий вид:




Последняя система двух уравнений позволяет исполь­зовать математическую модель транзистора с одним ис­точником тока, управляемым током, представленную на рис. 1.67.

Этот вариант модели лежит в основе более сложных моделей, широко используемых в практике математичес­кого моделирования электронных схем (и применяемых в пакетах программ Micro-Cap, Design Center и др.).

Эквивалентная схема транзистора для расчета схем с общим эмиттером. Упрощенные математические модели принято называть эквивалентными схемами.

Рассмотрим эквивалентную схему, которую можно ис­пользовать только при прямом (не инверсном) включении в режиме активной работы и режиме отсечки (в режиме насыщения ее использовать нельзя), и в случае, когда ам­плитуда переменной составляющей тока коллектора, а также амплитуда переменной составляющей напряжения u_кэневелика. При выполнении этих условий в первом при­ближении выходные и входные характеристики транзис­тора можно считать линейными. Переходя к идеализи­рованным входным (рис. 1.68) и выходным (рис. 1.69) характеристикам транзистора, которые показаны пунк­тирными линиями, получим эквивалентную схему тран­зистора, представленную на рис. 1.70.

Резистор с сопротивлением г_ботражает факт наличия сопротивления базового слоя транзистора, а резистор с сопротивлением r_э— факт наличия сопротивления эмит-терного слоя.