ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

П л а н л е к ц и и

6.1. Биполярные транзисторы.

6.2. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения.

6.1. Биполярныетранзисторы.

Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих между собой p–n-перехода, называется биполярным транзистором.

6.2. Структураипринципдействиябиполярноготранзистора. Схемывключения(ОЭ, ОБ, ОК). СтатическиеВАХи параметрыдляосновныхсхемвключения.

Биполярный транзистор был изобретен американскими физиками Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1948 г. Они вместе с американским физиком Уильямом Шокли в 1956 г. были награждены Нобелевской премией за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.

Конструкция первого биполярного транзистора (БТ) приведена на рис. 6.1. В пластинку монокристаллического германия n-типа 1 с силой вдавливался пластмассовый треугольник 2, обернутый золотой фольгой 3. На вершине треугольника фольга разрезалась бритвой. В месте соприкосновения фольги с поверхностью пластины образуются области p- типа: эмиттер 4 и коллектор 6. Между ними располагается база 5. На рис. 6.1, б приведено изображение первого промышленного биполярного транзистора, где 1 – контакт эмиттера; 2 – контакт коллектора; 3 – корпус; 4 – изолирующая прокладка; 5 – контактная проволочка; 6 – кристалл германия; 7 – контакт к базе. Эмиттерный и коллекторный переходы изготавливались вплавлением в германиевый кристалл тонких проволочек. Диаметр транзистора составлял 1 см, высота 4 см.

Устройство, обозначение и включение биполярных транзисторов n–р–п- и p–n–р-типа в активном режиме (режим усиления) показано на рис. 6.2.

Биполярным транзистор называется потому, что в нем используются носители заряда двух видов: электроны и дырки. Слово «транзистор» (от английского transfer resistor) означает, что этот прибор согласует низкоомную

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

входную цепь эмиттера с высокоомной выходной цепью коллектора, третий электрод – база – является управляющим.

Основными материалами для изготовления биполярных транзисторов служат кремний, германий и арсенид галлия. По технологии изготовления они делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Рис. 6.1. Конструкция первого биполярного транзистора (а) и первый промышленный образец (б)

Рис. 6.2. Устройство, условное обозначение и включение биполярных транзисторов в активном режиме

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

Биполярные транзисторы – активные приборы, позволяющие усиливать, генерировать и преобразовывать электрические колебания в широком диапазоне частот и мощностей. В соответствии с этим их можно разделить на низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (3–30 МГц), высокочастотные (30–300 МГц), сверхвысокочастотные (более 300 МГц). По мощности их можно разделить на маломощные (не более 0,3 Вт), средней мощности (0,3–1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт).

Взависимости от того, какой из электродов транзистора является общей точкой действия входного и выходного напряжений, различают три основные схемы включения БТ: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема с общим коллектором (ОК), называемая также эмиттерным повторителем.

Принцип работы, характеристики и параметры биполярных транзисторов удобно рассматривать на примере широко используемой на практике схемы включения транзистора с общим эмиттером (рис. 6.3). Эта схема дает наибольшее усиление по току, напряжению и мощности. На схеме

показаны включенные в цепь базы источник питания Еб с резистором Rб для задания режима работы транзистора по постоянному току и источник питания Ек цепи коллектора с нагрузочным резистором Rк.

Взависимости от того,

втягиваются полем обратно смещенного коллекторного перехода. Ток коллектора при этом определяется выражением

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

где βст – статический коэффициент передачи тока базы, значительно превышающий по величине единицу.

Ток коллектора Iк связан с напряжением на переходе база – эмиттер уравнением Эберса – Молла:

где Iк0 – обратный ток коллекторного перехода, φТ – температурный потенциал, составляющий для кремния при температуре Т = 300 К примерно 26 мВ. Токи эмиттера, коллектора и базы транзистора связаны соотношением

Iэ = Iк + Iб.

Рис. 6.4. Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора n–p–n-типа в схеме с общим эмиттером

Зависимость между входными и выходными токами и напряжениями в транзисторах определяется семействами входных и выходных статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) (рис. 6.4).

Входные характеристики Iб = f(Uбэ)|Uкэ (рис. 6.4, а) снимаются при постоянных выходных напряжениях коллектор-эмиттер Uкэ = const. При Uкэ = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. При Uкэ > 0 характеристика сдвигается вправо на величину так называемого порогового напряжения Uбэ.пор, различающегося у германиевых и кремниевых транзисторов.

Семейство выходных ВАХ Iк = f(Uкэ)|Iб (рис. 6.4, б) снимается при различных токах базы Iб = const.

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

На вольт-амперных характеристиках выделены области, соответствующие работе транзистора в активном режиме, в режимах насыщения и отсечки.

Биполярные транзисторы характеризуются большим числом различных параметров (статических, дифференциальных, физических) и соответствующих им линейных и нелинейных эквивалентных схем.

Одним из широко используемых на практике параметров БТ является определенный выше статический коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером βст.

При представлении БТ как линейного активного четырехполюсника используются несколько систем характеристических параметров, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения измерения параметров и практического их использования в инженерных расчетах. Как правило, в справочных данных транзисторов приводятся значения так называемых смешанных или гибридных h-параметров – h11, h12, h21, h22.

Параметр h11 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение приращения входного напряжения база-эмиттер к вызвавшему его приращению тока базы при фиксированном значении напряжения коллекторэмиттер:

Он имеет смысл и размерность дифференциального входного сопротивления транзистора в режиме малого сигнала.

Параметр h21 в схеме с общим эмиттером определяется как приращение тока коллектора к вызвавшему его приращению тока базы при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер:

Он называется дифференциальным коэффициентом усиления транзистора по току или коэффициентом передачи по току. Значения дифференциального h21 и статического βст коэффициентов усиления по току достаточно близки.

Параметр h12 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызвавшему его приращению напряжения коллектор-эмиттер при фиксированном значении тока базы:

цепь вследствие имеющейся внутренней обратной связи между ними и называется коэффициентом обратной связи по напряжению.

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

Он имеет смысл и размерность дифференциальной выходной проводимости, обратной выходному сопротивлению транзистора в режиме малого сигнала.

Указанные параметры биполярных транзисторов могут быть легко определены на основе их ВАХ.

Коэффициент усиления по напряжению, согласно определению, равен

Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а напряжение коллектор-эмиттер может достигать величины единиц или десятков вольт. Поэтому kU может принимать значение от десятков до сотен.

В соответствии со схемой рис. 6.4 могут быть построены и измерены динамические входные и выходные характеристики каскада Iк = f(Uкэ)|Ек = = const, Iб = f(Uбэ)|Ек = const. Выходная динамическая характеристика описывается уравнением Iк = (Ек – Uкэ)/Rк и называется также нагрузочной прямой или нагрузочной характеристикой (рис. 6.4, б). Динамические характеристики используются для выбора режима работы транзистора по постоянному току и графического определения значений его токов и напряжений при приложении входного переменного напряжения или тока.

Перейдем к рассмотрению характеристик и параметров транзистора включенного по схеме с общей базой (рис. 6.5). Используя соотношения между токами и напряжениями БТ в схемах включения с общим эмиттером и

собщей базой: Iэ = Iк + Iб, Uкб = Uкэ – Uбэ, можно по ВАХ транзистора в схеме

собщим эмиттером построить его ВАХ в схеме включения с общей базой. Входные характеристики устанавливают связь между током эмиттера и

напряжением эмиттер-база при фиксированных значениях напряжения коллектор-база Iэ = f(Uэб)|Uкб = const. При Uкб = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. При Uкб > 0 характеристика сдвигается влево, так как протекает небольшой начальный ток эмиттера Iэн. Характеристики для различных Uкб расположены близко друг к другу, так как основное падение напряжения Uкб сосредоточено на коллекторном переходе.

Семейство выходных ВАХ, показывающее зависимость выходного тока коллектора от напряжения коллектор-база, снимается при различных токах эмиттера Iк = f(Uкб)|Iэ = const (рис. 6.6, б).

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

Рис. 6.5. Включение биполярного транзистора n–р–п-типа по схеме с общей базой

Рис. 6.6. Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора n–p–n-типа в схеме с общей базой

Соответствующие этой схеме включения h-параметры транзистора определяются следующим образом:

h11(об) = ( Uэб/ΔIэ)|Uкб = const; h12(об) = ( Uэб/ΔUкб)|Iэ = const; h21(об) = ( Iк/ΔIэ)|Uкб = const; h22(об) = (ΔIк/ Uкб)|Iэ = const.

В табл. 6.1. приведены значения h-параметров для схем включения ОБ

и ОЭ.

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

Из таблицы следует, что у обоих схем включения есть существенный недостаток – малое входное сопротивление. Именно для преодоления этого недостатка, применяется схема включения с общим коллектором (рис. 6.6).

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но всегда меньше ее:

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения сведены в табл. 6.2.

К основным предельным параметрам БТ относятся максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ.max, максимальный постоянный ток коллектора Iк.max и максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе Рк.max. При определенных применениях БТ необходимо учитывать и предельно допустимое значение обратного напряжения перехода эмиттербаза Uэб.max, также приводимое в справочных данных.