1.1.4. Биполярные транзисторы

Структура и принцип действия биполярного транзистора

Упрощенная структура p-n-p–транзистора показана на рис. 8, а, услов­ные обозначения р-п-р и n-p-n транзисторов – на рис. 8, б.

Рис. 8. Структура (а) и графические обозначения биполярных транзисторов (б)

Переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напря­жение, называют эмиттерным, а соответствующий вывод – эмиттером (Э). Переход, смещенный в обратном на­правлении, называют коллекторным, а соответствующий вывод – коллектором (К). Средний слой и соответствующий вывод называют базой (Б).

В зависимости от технологии изготовления транзистора кон­центрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней лишь вследствие диффузии. Такие транзисторы называют бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле, и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфо­выми.

При подключении к электродам транзистора напряжений ( и рис. 8, а) эмиттерный переход смещается в прямом на­правлении, а коллекторный – в обратном. В результате дырки из эмиттера инжектируются в базу, а электроны – из базы в эмиттер. Так как концентрация основных носителей заряда в базе ниже, чем в эмиттере, инжекция близка к односторонней и главным является поток дырок из эмиттера в базу.

Инжектированные в базу дырки движутся по на­правлению к коллектору. Если бы база была достаточно толстой ( ), то все инжектированные дырки рекомбинировали бы в ней с электронами, поступающими в базу из внешней цепи, не доходя до коллектора. Тогда ток базы был бы близок к току эмиттера, т.е. прямосмещенного p-n-перехода, а через коллекторный переход протекал бы малый ток обратносмещенного p-n-перехода. Однако в тран­зисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины L ( ). Поэтому большинство инжектированных в нее дырок не успевает рекомбинировать с электронами из внешней базовой цепи, а попав вблизи коллекторного р-п-перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор, где рекомбинируют с электронами, поступающими в него из внешней цепи.

Поскольку дырки составляют только часть тока эмиттера и только их часть доходит до коллекторного перехода, ток кол­лектора определяется соотношением

,

где - коэффициент передачи эмиттерного тока.

Ток базы равен разности между токами эмиттера и коллектора:

. (11)

В силу симметрии структуры коллектор и эмиттер транзистора при включении можно поменять местами. Однако из-за конструктивных различий эмиттерной и коллекторной областей характеристики транзистора в нормальном и инверсном включении различаются, соответственно различают коэффициент передачи эмиттерного тока в нормальном активном режиме и в инверсном активном режиме (индексы “н” и ”и” обозначают соответственно нормальный и инверсный режимы).

Математическая модель идеализированного транзистора

Получим математическую модель идеализированного транзистора на основе эквивалентной схемы, приведенной на рис. 9 [29].

Рис. 9. Эквивалентная схема идеализированного транзистора

Каждый p-n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено источниками токов.

Токи эмиттера и коллектора содержат две составляющие: инжектируемую ( и ) и собираемую ( и ):

. (12)

Запишем уравнения идеализированных диодов для схемы на рис. 9:

, (13)

где - тепловой ток эмиттерного перехода, измеренный при замкнутых выводах базы и коллектора; - тепловой ток коллекторного перехода, измеренный при замкнутых выводах базы и эмиттера.

Из-за изменения распределения неосновных носителей в базе токи и больше токов, которые протекали бы через изолированные эмиттерный или коллекторный p-n-переходы и . Определим связь между этими токами.

Пусть . Тогда из первого уравнения (12) . Из (13) найдем ток коллекторного перехода , смещенного в обратном направлении, . Подставляя ток во второе уравнение (12), найдем или . Аналогичное уравнение запишем и для эмиттерного перехода: .

Подставив (13) в (12), получим

Используя найденную связь между , и , , получим уравнения Эберса-Молла:

(14)

При анализе транзисторных схем уравнения (14) обычно используют вместе с соотношением .

Решая уравнения (14) относительно , получим входные характеристики транзистора:

или .

Решая (14) относительно , получим выходные характеристики

. (15)

Учитывая, что и коллекторный переход смещен в обратном направлении, найдем

, или . . (16)

Таким образом, при определенных условиях ток коллектора и напряжение не зависят от напряжения . В действительности изменение напряжения меняет ширину базы – с увеличением ширина базы уменьшается и ток увеличивается. Кроме того, увеличивается . Это явление называют эффектом модуляции базы [8]. Для учета этого эффекта формулу записывают в виде

, (17)

где - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.

Влияние напряжения на оценивают коэффициентом обратной связи по напряжению . Знак минус указывает, что для обеспечения неизменного тока эмиттера приращения напряжений должны иметь противоположную полярность.

Параметры биполярного транзистора в режиме малого сигнала

Если переменные составляющие напряжений и токов и , характеризующие полезный сигнал, малы по сравнению с их начальными значениями и , то нелинейность ВАХ транзистора проявляется незначительно. В этом случае говорят, что транзистор работает в линейном режиме или в режиме малого сигнала и его можно рассматривать как активный линейный четырехполюсник [27] .

Рис. 10. К понятию четырехполюсника

Четырехполюсник можно характеризовать различным образом, в зависимости от того, какие величины будут считаться входными, а какие – выходными.

Если напряжения рассматривать как линейные функции токов, то получим систему -параметров:

.

В этой системе коэффициенты имеют размерность комплексных сопротивлений.

Если рассматривать токи как функции напряжений, то получим систему -параметров:

.

Коэффициенты имеют размерность комплексных проводимостей.

На низких частотах, когда проводимости являются чисто активными, их обозначают как .

Для биполярных транзисторов наибольшее распространение получила система -параметров:

,

где - входное сопротивление; - коэффициент обратной связи по напряжению; - коэффициент передачи тока; - выходная проводимость.

Если пренебречь влиянием емкостей и эффектом модуляции базы, то для схем с общей базой и общим эмиттером -параметры будут определяться соотношениями

Общая база	Общий эмиттер
;	;
;	;
;	;
;	.

Дифференциальное сопротивление представляет собой сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода. Его можно определить, если продифференцировать уравнение (16) для тока через эмиттерный переход:

.

Учитывая, что , запишем уравнение для дифференциального сопротивления эмиттерного перехода в виде

,

где - рабочий ток эмиттера.

Дифференциальное сопротивление эмиттера зависит от режима работы и составляет от долей Ома до десятков Ом.

Омическое сопротивление базы имеет значение порядка сотен Ом. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода может изменяться в зависимости от режима работы и имеет значение от долей до десятков МОм. Напряжение представляет собой контактную разность потенциалов и имеет значение порядка десятых долей вольта. Генератором напряжения , как правило, можно пренебречь ввиду малости его напряжения. Ёмкости , представляют собой емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Ёмкость базы характеризует процессы накопления заряда в базе. Как правило, наибольшее влияние на работу транзисторных схем оказывает виляние емкость коллектора .

В справочной литературе, как правило, указываются -параметры для схемы включения с общим эмиттером.