Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Биполярным транзистором называют полу проводниковый прибор имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной - сплавление, диффузия и т.д. это в значительной мере определяет характеристики прибора.

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n транзисторы и p-n-p транзисторы. Средняя часть рассматриваемых структур рассматриваемых структур называется базой, одна крайняя область называется коллектором другая эмиттером в несимметричных структурах.

Электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частот-ного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. В зависимос-ти от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различа-ют следущие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в пря-мом направлении, а коллекторный -- в обратном. В режиме насыщения оба пере-хода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки -- в обратном. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направле-нии, а эмиттерный -- в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным -- это режим пробоя.

Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимо-сти от приложенных к его переходам напряжений. В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению Е,= t/бэ, через него протекает ток базы 1ц. Протекание тока базы приводит к ин-жекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется как i^=Bi„ где В -- коэффициент передачи тока базы. Прямое на-пряжение С/бэ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса -- Молла

iк=Ikб.о(eUбз/т-1), (4.1)

где Iкб.о -- обратный ток коллекторного перехода при его обратном смещении, (т--- тепловой потенциал.

Из уравнения (4.1) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и выполнении условия 1/бэ><рг, ток коллектора растет с ростом напряжения 1/вэ по экспоненциальному закону:

iк=Ikб.оeUбз/т, (4.2)

где eUбз/т -- контактная разность потенциалов.

При изменении полярности напряжения на эмиттерном переходе транзистор переходит в режим отсечки и ток коллектора равен обратному току коллекторно-го перехода Л.обр^кв.о. Из уравнения (4.1) легко найти напряжение на эмиттерном переходе

Uбэ=тln(Ik/Iкб.о+1), (4.3)

Поскольку фт=25мВ при Г=ЗООК, то уже при напряжении [/аэ^ЮОмВ можно считать, что (/в^=<Pтln(^к/^кб.o) Выходные вольт-амперные характеристики транзи-стора приведены на рис. 4.2 о. Линейная область на этих характеристиках отмече-на штриховой линией. Транзистор будет находиться в линейной области, если напряжение на коллекторе достаточно большое и выходит за границу штриховой линии.

Отметим некоторые особенности характеристик транзистора в линейной об-ласти. Во-первых, приращение тока коллектора пропорционально изменению тока базы. Во-вторых, ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллек-торе. В-треть-их, напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит от тока базы.

Из сказанного следует, что в линейном режиме транзистор для малых приращений тока базы можно заменить источником тока коллектора, уп-равляемого током базы. При этом, если пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким замыканием. В ре-зультате для линейного режима можно использовать простейшую модель транзи-стора, приведенную на рис. 4.3 а.

Пользуясь этой моделью, можно легко рассчитать коэффициент усиления кас-када, изображенного на рис. 4.3 б. Заменяя транзистор его моделью, получим эквивалентную схему, изображенную на рис. 4.3 в. Для этой формулы находим ik= Uc/Rб; ik=Biб Uk= ikRn= BiбRn откуда

UcBR» Un= UcBRn/ Rб или Kn= Rn/ Rб

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель транзистора можно усложнить введением других параметров, которые не учитывались при составле-нии схемы. Схеме замещения соответствуют уравне-ния, которые называются уравнениями транзистора в Я-параметрах

Uб= H11iб + H12Uk

Ik= H21iб + H22Uk .

Физический смысл параметров, приведенных в системе уравнений (4.4), мож-но легко установить, если воспользоваться режимами холостого хода на входе схемы и короткого замыкания на ее выходе.

При холостом ходе на входе г'б=0, откуда находим два параметра

H12= Uб/ Uk и H22= ik/ Uk (4.5)

Аналогично при коротком замы-кании на выходе (и^=0) находим два других параметра

H11= Uб/ iб и H21= ik/ iб (4.6)

Параметры холостого хода в соответствии с (4.5) обозначаются как: Я^ -- обратная передача по направлению и Нц -- выходная проводимость. Параметры короткого замыкания определяются из (4.6) и имеют значения: Яц -- входное сопротивление, Н^ -- прямая передача по току.

Так, при Яц=Я)2=Ям=0

Отметим, что в справочниках по транзисторам обычно приводятся не все четыре Я-параметра, а только некоторые из них. Обязательно приводится пара-метр Нц=В -- коэффициент передачи по току, а остальные, если они не приводят-ся, иногда можно рассчитать по уравнениям (4.5) и (4.6).

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличи-вать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет' отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть в схеме рис. 4.3 б, когда в коллекторной цепи включе-но сопротивление нагрузки R^. В этом случае увеличение тока базы ^ приведет к увеличению тока коллектора г„- В результате увеличится падение напряжения на нагрузке R» и уменьшится напряжение на коллекторе м„э. Условием насыщения транзистра является равенство нулю напряжения

Uкб=Uк-Uб=0. (4.7)

При глубоком насыщении транзистора выполняется условие и^>0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме. Выполнение условия и^=0 обычно называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения. Глубину насыщения транзистора характе-ризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы I& нас транзистора в насыщенном режиме к току базы /g^ в граничном режиме

q= Iб пос/ Iб гр (4-8)

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количе-ство неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора.

Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером до-статочно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым клю-чом, на котором падает небольшое напряжение. Схема замещения транзистора в режиме насыщения приведена на рис. 4.5 а. В соответствии с этой схемой замеще-ния напряжение на насыщенном ключе определяется по формуле

Uk. пос= IkRпос+ En, (4.9)

где Rпос. сопротивление насыщенного ключа, En=0,5... 0,1 В. В справочных данных на транзисторы обычно приводится значение С/„энас при заданном токе коллектора.

Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсеч-ки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия и^О. В соответ-ствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление Ry и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки /ут^./кбо- На вольт-амперных характеристиках транзисто-ра, приведенных на рис. 4.2 а, режиму отсечки соответствует горизонтальная ли-ния при i'8=0.

В справочных данных на транзисторы для режима отсечки обычно приводит-ся обратный ток коллектор -- эмиттер /„л при заданном напряжении на коллек-торе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером. Таким образом, два ключевых режима транзистора -- режимы насыщения и от-сечки -- позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ S.

Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электрон-ных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор поперемен-но переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения такого ключа, которая обычно характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации.

Последним режимом работы транзистора является инверсный режим, при котором коллекторный переход смещается в прямом направлении, а эмиттерный в обратном.

По сути дела, в этом режиме коллектор и эмиттер меняются местами и роль коллектора теперь выполняет эмиттер. Если транзистор несимметричный, то обычно в инверсном режиме падает усиление транзистора (вщп,<Дл,,в)-

Наиболее часто инверсный режим транзистора используется в двунаправлен-ных ключах. В этом случае транзистор делается симметричным и его усиление практически не изменяется при замене коллектора и эмиттера. В таких транзисто-рах области коллектора и эмиттера имеют одинаковые свойства и геометрические размеры, поэтому любая из них может работать как эмиттер или коллектор. Для симметричных транзисторов характеристики в инверсном режиме подобны харак-теристикам в линейном режиме.

Динамические характеристике биполярного транзистора. Динамические харак-теристики транзистора по-разному описывают его поведение в линейном или ключевом режимах. Для ключевых режимов очень важным является время пере-ключения транзистора из одного состояния в другое. В то же время для усили-тельного режима транзистора более важными являются его свойства, которые показывают возможность транзистора усиливать сигналы различных частот.

Ток коллектора достигает установивше-гося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задер-жки /зад, спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени t»sp достигает» установившегося значения 7кл.

iвкл=iзад+ iпор, (4.10)

где iвкл, -- время включения транзистора.

При выключении транзистора на сто базу подастся обратное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным /блык. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняет своего значения. Это время называется временем рассасывания г„с. После оконча-ния процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается в течение времени tea- Таким образом, время выключения транзистора равно

iвык= iрас+ iсп. (4.11)

Следует особо отметить, что при выключении транзистора, несмотря на из-менение направления тока базы, транзистор в течение времени tyc остается вклю-ченным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно.

Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзистора перед его выключением. Минимальное время выключения получается при граничном режиме насыщения. Для ускорения процесса рассасывания в базу пропускают об-ратный ток, который зависит от обратного напряжения на базе. Однако прикла-дывать к базе большое обратное напряжение нельзя, так как может произойти пробой перехода база-эмиттер. Максимальное обратное напряжение на базе обычно не превышает 5...7В.

Если к базе транзистора в процессе запирания не прикладывается обратное напряжение (например, база замыкается на эмиттер), то такое запирание транзи-стора называется пассивным. При пассивном запирании время рассасывания зна-чительно увеличивается, а обратный ток базы уменьшается.

Форма импульса тока коллектора не только изменяется за счет растягивания длительности фронтов, но и сам импульс увеличивается по длительности на время {pie. В справочных данных обычно приводят времена вклю-чения, спада и рассасывания. Для наибо-лее быстрых транзисторов время рассасы-вания имеет значение 0,1 ...0,5мкс, однако для многих силовых транзисторов оно до-стигает Юмкс.

Динамические свойства транзистора в усилительном режиме принято характери-зовать не временем включения или вы-ключения, а его частотными характерис-тиками. Имеется много различных моде-лей транзисторов, работающих на высоких частотах, однако наиболее распростра-ненными являются модели, основанные на схеме замещения Джиаколетто и аппрок-симации зависимости коэффициента пере-дачи тока базы (или эмиттера) на высокой частоте. Рассмотрим вначале схему замещения транзистора, предложенную Джиако-лстто. Эти схема приведена на рис. 4.8 а и представляет собой П-образную схему, в которой усилительные свойства транзистора учтены крутизной S его вольт-амперной характеристики (т. е. проводимостью прямой передачи), а частотная зависимость усилительных свойств определяется учетом емкостей между базой и коллектором -- С„ и базой и эмиттером -- С,. Достоинство этой схемы замещения заключается в том, что она с достаточной для практических расчетов точностью отражает реальное свойство транзисторов на высоких частотах. Кроме того, все параметры элементов этой схемы замещения можно легко измерить или рассчи-тать.

На схеме замещения (рис. 4.8 а) точки Б, К я Э являются реальными вывода-ми базы, коллектора и эмиттера транзистора. Точка Б' находится внутри транзи-стора и, следовательно, доступа к ней нет. Сопротивление rg, разделяющее точки Б и Б', называют распределенным сопротивлением базы. Активная проводимость g, и емкость С, совместно отражают полную проводимость эмиттерного перехода. Отношение этих величин называется постоянной времени эмиттерного перехода т,=Сэ/^э и от режима работы транзистора практически не зависит.

Влияние коллекторного перехода учтено его полной проводимостью, состоя-щей из g^ и С„. Отношение этих параметров называется постоянной времени кол-лекторного перехода *^к=C,^/?к и также почти не зависит от режима работы тран-зистора. Проводимость gt обычно очень мала, а емкость С» несколько уменьшает-ся с увеличением напряжения на коллекторе.

Наличие связи между эмиттером и коллектором учтено в схеме замещения активной проводимостью ^эк- Д™ высокочастотных транзисторов эта проводи-мость настолько мала, что ее можно не учитывать. Источник тока Suy.,, включен-ный между коллектором и эмиттером, аналогичен источнику тока Н^е, приведен-ному в схеме замещения рис. 4.4, однако в отличие от последнего он управляется не током базы if,, а напряжением щ-у

Эта схема объясняет причины, приводящие к уменьшению усиления транзис-тора с повышением частоты. Во-первых, с ростом частоты уменьшается полная проводимость эмиттерного перехода, что приводит к увеличению тока »е и увели-чению падения напряжения на f«.

Рис. 4.8. Схема замещения транзистора на высокой частоте (а) и частотная зависимость коэффициента передачи тока базы (б)

Таким образом, управляющее напряжение Me., для источника тока уменьшается с ростом частоты и, следовательно, уменьшается усиление транзистора.

Дополнительное снижение усиления обусловлено влиянием коллекторной проводимости, которая тоже уменьшается с ростом частоты. В результате ток базы еще больше увеличивается, что приводит к дополнительному снижению на-пряжения «в-э.

Другим способом учета влияния частоты на усилительные свойства транзис-тора является аппроксимация зависимости коэффициента передачи тока базы от частоты, т. е. вместо постоянного значения коэффициента передачи тока базы В используется частотно-зависимый коэффициент

()= h21з()= 0 / 1+j( /) (4.12)

где: ^о^В -- коэффициент передачи тока базы на низкой частоте, t0p -- предель-ная частота коэффициента передачи тока базы.

Модуль частотной зависимости коэффициента передачи тока базы определя-ется по формуле

(4.13)

На частоте ю=й)р модуль коэффициента передачи уменьшается по сравнению с ро в л/2= 1,41 раза. Если <B>3(0(i, то частотная зависимость коэффициента переда-чи тока базы принимает вид

(4.14)

где <»r=pot0p граничная частота коэффициента передачи тока базы, на которой коэффициент передачи тока снижается до единицы.

Рассмотренная частотная зависимость коэффициента передачи тока базы приведена на рис. 4.8 б. Следует учесть, что помимо падения усиления с ростом частоты имеет место фазовый сдвиг выходного сигнала по сравнению с входным, определяемый формулой

(4.15)

Поскольку фазовый сдвиг зависит от частоты, то сигналы с широким спект-ром частот будут дополнительно искажаться за счет фазового сдвига гармоник.

Лекция 5. Униполярные транзисторы

Устройство и принцип действия униполярного транзистора. Униполярными, или полевыми, транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Оба на-звания этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности: прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управле-ние током канала осуществляется при помощи электрического поля.

Электроды, подключенные к каналу, называются стоком (Drain) и истоком (Source), а управляющий электрод называется затвором (Gate). Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком. В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делят-ся на две группы: с управляющим р-л-переходом и с изолированным затвором.

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изоли-рован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика из двуокиси кремния SiOi. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Ток утечки затвора пренебрежи-мо мал даже при повышенных температурах. Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими. При обеденном канале элек-трическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется я-каналом. Каналы с дыроч-ной проводимостью называются ^-каналами. В результате полевые транзисторы с изолированным затвором могут быть четырех типов: с каналом п- или р-ттов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал.

Графическое обозначение транзисторов содержит максимальную информацию о его устройстве. Канал транзистора изображается вертикально штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная -- встроенный. Исток и сток действуют как невыпрямляющие контак-ты, поэтому изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости ка-нала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу. Вывод затвора обращен к электроду истока.

Условное обозначение полевых транзисторов состоит из ряда букв и цифр. Первая буква указывает материал, из которого изготовлен прибор (К -- кремний, А -- арсенид галлия). Вторая буква, П, указывает на принадлежность к группе полевых транзисторов. Первая цифра указывает на допустимую рассеиваемую мощность и максимальную рабочую частоту. Далее идет двухзначный номер раз-работки транзистора. Пятая буква соотвествует разбраковке по параметрам. На-пример, транзистор КП302А -- кремниевый, полевой, малой мощности, высоко-частотный.

Устройство полевого транзистора с управляющим р-н-треходам приведено на рис. 5.1 б. В таком транзисторе затвор выполнен в виде обратно смещенного р-п-перехода. Изменение обратного напряжения на затворе позволяет регулиро-вать ток в канале. На рис. 5.1 б приведен полевой транзистор с каналом /»-типа и затвором, выполненным из областей п-типа. Увеличение обратного напряжения на затворе приводит к снижению проводи-мости канала, поэтому полевые транзис-торы с управляющим ^-п-переходом рабо-тают только на обеднение канала носите-лями зарядов.

Поскольку ПТУП могут работать только с обеднением канала, то наличие встроенного канала показано на этом изображениисплошной линией, которая имеет контакты с электродами стока и истока. На-правление стрелки на выводе затвора указывает тип проводимости канала.

Таким образом, полный набор разновидностей полевых транзисторов, имею-щихся в справочной литературе, исчерпывается шестью разновидностями. Пользуясь этими характеристиками, можно установить полярность управляющего напряжения, на-правление тока в канале и диапазон изменения управляющего напряжения. Из всех приведенных разновидностей транзисторов в настоящее время не выпускают-ся только ПТИЗ со встроенным каналом ^-типа.

Рассмотрим некоторые особенности этих характеристик. Все характеристики полевых транзисторов с каналом n-типа расположены в верхней половине графи-ка и, следовательно, имеют положительный ток, что соответствует положительно-му напряжению на стоке. Наоборот, все характеристики приборов с каналом ^-типа расположены в нижней половине графика и, следовательно, имеют отрица-тельное значение тока и отрицательное напряжение на стоке.

Характеристики ПТУП при нулевом напряжении на затворе имеют максимальное значение тока, которое называется начальным /„„«ч- При увеличении запирающего напряжения ток стока уменьшается и при напряжении отсечки t/отс становится близким к нулю.

Характеристики ПТИЗ с индуцированным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют нулевой ток. Появление тока стока в таких транзисторах про-исходит при напряжении на затворе больше порогового значения 1/пор. Увеличе-ние напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока.

Характеристики ПТИЗ со встроенным каналом при нулевом напряжении на затворе имеют начальное значение тока /с нач. Такие транзисторы могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения. При увеличении напряжения на затворе канал обогащается и ток стока растет, а при уменьшении напряжения на затворе канал обедняется и ток стока снижается.

Характеристики других типов транзисторов имеют аналогичный вид, но отличаются напряжением на затворе и полярностью приложенных напря-жений. На этих вольт-амперных характеристиках можно выделить две области: линейную и насыщения.

В линейной области вольт-амперные характеристики вплоть до точки пере-гиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряже-ния на затворе. В области насыщения вольт-амперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о назависимости тока сто-ка от напряжения на стоке. В этой области выходные характеристики полевых транзисторов всех типов сходны с характеристиками электровакуумных пен-тодов. Особенности этих характеристик обуславливают применение полевых транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопро-тивление, управляемое напряжением на затворе, а в области насыщения -- как усилительный элемент. Рассмотрим особенности работы полевых транзисторов в этих областях.

Линейная область. В линейной области ток стока полевого транзистора опре-деляется уравнением

Ic= 2k (Un- Uзн) Uсн- - Uсн/2. (5.1)

где k -- постоянный коэффициент, зависящий от конструкции транзистора, U„ ---пороговое напряжение (или напряжение отсечки), Мди -- напряжение между затво-ром и истоком, йен -- напряжение между стоком и истоком.

На начальном участке линейной области (до перегиба) можно при малом значении напряжения на стоке воспользоваться упрощенным выражением, пола-гая В (5.1) Уа.^0:

ic 2k(Un- Uзн)Uсн (5.2)

Выражение (5.2) позволяет определить сопротивление канала в линейной об-ласти

Rc= Uсн / ic= 1/ 2k(Un- Uзн) (5.3)

Из выражения (5.3) следует, что при Иэм=0 сопротивление канала будет мини-мальным Rmm= \f(2kUn). Если напряжение на затворе стремится к пороговому зна-чению Мзн--t/in то сопротивление канала возрастает до бесконечности: Re-*00. График зависимости сопротивления канала от управляющего напряжения на зат-воре приведен на рис. 5.6 а.

При приближении к точке перегиба вольт-амперных характеристик сопротив-ление канала начинает увеличиваться, так как сказывается второй член в выраже-нии (5.1). В этом случае можно определить дифференциальную проводимость канала, пользуясь формулой (5.1):

^с= И» = lk(u»~ ^п-Усн), откуда получаем значение дифференциального сопротивления канала

rc.диф=1/ 2k(Uзн- Un- Uсн) 5.4

Зависимость сопротивления канала от напряжения на стоке t/сн нарушает линейность сопротивления, однако при малом уровне сигнала этой зависимостью можно пренебречь. Таким образом, основное применение полевых транзисторов в линейной области определяется их способностью изменять сопротивление при изменении напряжения на затворе. Это сопротивление для мощных полевых тран-зисторов с изолированным затвором достигает долей ома (0,5... 2,0 Ома), что позволяет использовать их в качестве замкнутого ключа с весьма малым соб-ственным сопротивлением