• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗНСТОРИ

Класифікація та будова транзисторів. Біполярні транзистори є активними напівпровідниковими приладами, що забезпечують підси­лення потужності електричних сигналів. Будова біполярного транзис­тора така. Між трьома шарами напівпровідника різної електропровідності на межі їх поділу є два р-n-переходи. В залежності від харак­теру електропровідності зовнішніх шарів розрізняють транзистори типу р-n-р (рис, 1.13, а)і n-р-n (рис. 1.13, в).Умовні позначен­ня транзисторів цих типів показані відповідно на рис. 1.13. б. г.

Внутрішню область монокристала транзистора, що розділяє р-n­-переходи, називають базою (В). Зовнішній шар монокристала, що призначений для iнжектування (впроваджування) носіїв заряду в ба­зу, називають емітером (Е), а р-n-перехiд П1, що примикає до емітера , - емiтерним. Інший зовнішній шар, екстрагуючий (витягаючий) носії заряду з бази, називають колектором (С), а перехід П2 - колекторним. База є електродом, що керує струмом через транзистор, оскільки, змінюючи напругу між базою та емітером, можна керувати густиною струму інжекції, а отже, і екстракції.

Рис. 1.13

3алежно від матеріалу, застосовуваного для виготовлення транзис­торів, розрізняють германієві та кремнієві транзистори, а залежно від технології виготовлення - сплавні, вирощувані, дифузійні, епі­таксійні та планарні. У виробництві дискретних транзисторів звичай­но застосовується епітаксійно-планарна та мезапланарна техноло­гії, а у виробництві транзисторів інтегральних мікросхем - епітак­сійно-планарна.

Класифікаційні ознаки транзисторів за потужністю та частотним діапазоном відображені в третьому елементі їх позначення, що зобра­жує тризначний номер. Перший елемент позначення (цифра або бук­ва) вказує на вихідний матеріал напівпровідника: 1 або Г - германій, 2 або К - кремній. Другим елементом позначення для всіх транзисторів є буква Т, за винятком польових, що позначаються буквою П. Четвертий елемент позначення (буква) вказує на різновидність тран­зистора даного типу. Наприклад, ГТ905А - германієвий потужний високочастотний транзистор, різновидність типу А.

Якщо емітерний перехід зміщений напругою U_Е в прямому напрямі, а колекторний перехід напругою U_с - в зворотному (рис. 1.13, а, в), то ввімкнення транзистора називають нормальним. Змінивши по­лярність напруг U_Е та U_с, одержуємо інверсне ввімкнення.

Фізичні процеси в транзисторі. Основні процеси, що відбуваються в біполярному транзисторі, розглянемо на прикладі транзистора p-n-p-типу за однією з можливих схем його вмикання (рис. 1.14, а).

При відсутності зовнішніх напруг (U_Е = U_с = 0) поля в p-n-­переходах створюються лише об’ємними зарядами іонів, і усталені потенціальні бар'єри обох переходів φ_ке =φ_кк = φ_к, що показані на графіку розподілу електростатичного потенціалу (рис. 1.14, б) штриховими лініями, підтримують динамічну рівновагу, а струми че­рез переходи відсутні. При цьому в найбільш поширених без дрейфових транзисторах, що мають рівномірну концентрацію домішки в базі, електричне поле в останній відсутнє, і φ_к = соnst по всій товщині бази W_б.

При наявності U_Е та U_с, що визначаються відповідно джерела­ми Е_Е та Е_с, відбувається перерозподіл електричних потенціалів переходів (суцільна лінія, рис. 1.14, б). При вказаній на рис. 1.14, а полярності джерел зміщення (нормаль­не ввімкнення) створюються умови для iнжектування дірок з емітера в базу і переміщення електронів з бази в емітер. Оскільки концентрація електронів у ба­зі в багато разів менша, ніж концентра­ція дірок у шарі емітера, то зустрічний потік електронів значно менший. Тому при зустрічному переміщенні дірок та електронів відбувається лише їх частко­ва рекомбінація, а надлишок дірок уп­роваджується в базу, створюючи струм емітера I_Е.

Рис. 1.14

В результаті інжекції дірок у базу, де вони є неосновними носіями, в остан­ній виникає градієнт (перепад) концент­рації дірок, що приводить до їх дифу­зійного переміщення у всіх напрямах, в тому числі до колекторного р-п-переходу. Дрейф неосновних носіїв до колектора відіграє друго­рядну роль, оскільки φ_к = 0. При переміщенні неосновних носіїв через базу їх концентрація зменшується внаслідок рекомбінації з електронами, що надходять в базове коло від джерела Е_Е. Потік цих електронів створює базовий струм I_В.

Оскільки зменшення концентрації неосновних носіїв dn за час dt пропорційне концентрації n, то з врахуванням коефіцієнта пропорційності k можна записати

dn = - kndt.

Після приведення одержаного виразу до вигляду dn/n = - kdt та його інтегрування маємо

п = Сe^-kt, (1.6)

де С - стала інтегрування.

В момент t = 0 концентрація неосновних носіїв дорівнює початко­вій концентрації п₀ і згідно з рівнянням (1.6) С = п₀. Запроваджуючи також k = 1/τ, одержуємо

п = п₀e^-t/τ. (1.7)

Величину τ в рівнянні (1.7) називають часом життя неосновних носіїв, що являє собою інтервал часу, протягом якого концентрація не­основних носіїв у базі зменшується в е раз. Оскільки товщина бази су­часних транзисторів становить одиниці мікрометрів, то середній час пробігу неосновних носіїв через базу значно менший за час їх життя. В цих умовах більша частина дірок досягає колекторного p-n-пе­реходу і захоплюється його полем, рекомбінуючи з електронами, що надходять від джерела живлення Е_с. При цьому в колекторному колі протікає струм I_c, замикаючи загальне коло струму. Таким чином, для струмів транзистора справедливе співвідношення

I_Е = I_В + I_с . (1.8)

Перенесення струму з емітерного кола в колекторне характеризу­ється коефіцієнтом передачі струму біполярного транзистора в схемі з загальною базою

(1.9)

який у сучасних транзисторах досягає значення 0,95...0,99 і біль­ше, не перевищуючи, однак, одиниці. Тому I_В ≈ (0,05 - 0,01) I_Е та Ic ≈ (0,95 - 0,99) I_Е. З врахуванням (1.9) зв'язок між струмами транзистора визначається співвідношеннями

Ic = h_21B I_Е; (1.10)

I_В = I_Е - Ic = (1- h_21B) I_Е (1.11)

У формулах (1.9)-(1.11) I_Е, I_В, Ic - амплітудні значення струмів.

Якщо напругу в колі емітера змінювати в часі за законом зміни вхідного сигналу U _ВХ, то за тим самим законом будуть змінюватися всі струми транзистора, а отже, і напруга на опорі Rс навантаження.

Таким чином, зміна струму вхідного кола викликає відповідну змі­ну струму у вихідному колі (див. (1.10)). Оскільки емітерний р-n-перехiд ввімкнений у прямому напрямі, а колекторний - у зворотно­му, вхідна напруга впливає на колекторний струм значно сильніше, ніж вихідна. На цій властивості і грунтується підсилювальна дія тран­зистора. Змінні складові струмів і напруг зв'язані такими співвідно­шеннями:

U _ВХ = I_Е R_BХ; U _ВИХ = IcRc= h_21B I_Е Rc,

де R_BХ - вхідний опір транзистора.

Хоча коефіцієнт передачі струму h_21B менший за одиницю, кое­фіцієнти підсилення за напругою К_пU та за потужністю К_пP можуть досягати великих значень. Справа в тому, що при прямому ввімкненні емітерного переходу вхідний опір транзистора змінному струму ста­новить десятки ом, а опір колекторного переходу при зворотному ввімкненні досягає сотень кілоом. Тому вмикання у вихідне коло опо­ру R_С у кілька десятків кілоом не змінює порядку загального опору колекторного кола. При цьому R_С >>R_ВХ. Тоді коефіцієнт підсилення за напругою

К_пU = U _ВИХ/U_BX= IсRc/I_ER_BХ= h_21BRc/R_BX >>1, (1.12)

і коефіцієнт підсилення за потужністю

К_nР = Р_BИX/Р_BX = Iс²Rc/I_E ²R_BХ= h²_21BRc/R_BX >>1. (1.13)

Принцип роботи транзистора n-p-n-типу і транзистора p-n-p-типу відрізняється тим, що напруги, прикладені до першого для його нормального вмикання, мають протилежну полярність і неосновними носіями зарядів в базі є вільні електрони. Теоретичний аналіз та аналітичні вирази (1.6)-(1.13) аналогічні для обох типів транзисторів.

Рис.1.15

Статичний режим роботи біполярних транзисторів. Як елемент електричного кола транзистор використовують звичайно таким чином, що один з його електродів є вхідним, а другий - вихідним. Третій електрод є загальним відносно входу і виходу. В коло вхідного елек­трода вмикають джерело вхідного сигналу, а в коло вихідного – опір навантаження. В залежності від того, який електрод є загальним, роз­різняють три схеми вмикання транзисторів: із загальною базою (ЗБ), загальним емітером(ЗЕ) і загальним колектором (ЗК) (рис. 1.15). При цьому кожна схема характеризується двома сім'ями статичних характеристик, які визначають співвідношення між струмами в колах електродів транзисторів і напругами, що прикладені до цих електро­дів. Такими характеристиками є: вхідні

та вихідні .

Схема ЗБ, загальним електродом якої для вхідного і вихідного кіл є база транзистора (рис. 1.15, а), використовується для підсилення на­пруги і потужності. Однак ця схема не підсилює струму, оскільки вхід­ним струмом є струм емітера I_E, а вихідним - струм колектора I_С і згідно з виразом (1.8) I_C = I_Е - І_B < І_Е. Зв’язок між вхідним і вихідним струмами визначається рівнянням (1.10).

При розімкнутому колі емітера (I_Е = 0) В колі колектор-база протікає тепловий некерований струм колекторного p-n-переходу, змі­щеного в зворотному напрямі. Його називають зворотним струмом колектора I_C0. Тому повний вираз для струму колектора з урахуванням рівняння (1.10) має вигляд

(1.14)

У схемі ЗЕ, яка застосовується найбільш часто, вхідним є струм ба­зи, вихідним – струм колектора, а емітер є загальним електродом для вхідного і вихідного кіл транзистора (рис. 1.15, 6). Як і для схеми ЗБ, коефіцієнт передачі струму в схемі ЗЕ (коефіцієнт передачі струму бази) визначається відношенням вихідного струму до вхідного:

(1.15)

Підставивши в формулу (1.15) значення струму бази I_B = I_Е - I_C і розділивши чисельник та знаменник на I_Е, одержимо

( 1 . 16)

При зміні h_21B від 0,95 до 0,99 коефіцієнт h_21Е змінюється в ме­жах 20-100. Отже, схема ЗЕ дає значне підсилення за струмом. Оскільки ця схема дає також підсилення напруги, то підсилення по­тужності даної схеми значно більше, ніж у схемі ЗБ.

Підставивши в формулу (1.14) значення струму емітера І_Е = І_С + І_В, для струму колектора одержимо

(1.17)

Другий член у правій частині рівняння (1.17) являє собою нас­крізний тепловий струм колектора І^*_С0 при розімкнутому колі бази (І_В = 0) аналогічно струму І_С0 у схемі ЗБ при І_Е = 0, тобто

, (1.18)

Загальний струм колектора з урахування (1.16) та (1.18) визначається з виразу (1.17):

(1.19)

Сім'я вхідних характеристик транзистора для схеми ЗЕ показана на рис.1.16, а. При U_СЕ = 0 вольт-ам­перна характеристика аналогічна прямій вітці характеристики діода. Зі збільшенням напруги на базі базовий струм експоненціально збільшується, переходячи в лінійну залежність при порівняно невеликому струмі бази.

Вихідні характеристики транзистора для схем и ЗЕ відображують залежність (рис. 1.16, б) і описуються співвідношенням (1.19). При малих напругах на колекторі 0,2 - 0,3 В струм колектора не залежить від струму бази, а характеристики зливаються в одну лінію (область насичення). При 3і збільшенням вхідного струму бази згідно з рівнянням (1.19) збільшується струм колектора, тому при криві зміщуються вверх від характеристики Як видно з графіка, струм I_С при U_СЕ > 0,2 - 0,3 В слабо зростає з підвищенням напруги U_СЕ. Це свідчить про дифузійний характер переміщення неосновних носіїв заряду через базу, що не залежить від електричного поля колекто­ра. При U_СЕ = U_СE(ВR.) відбувається пробій колекторного переходу і колекторний струм різко зростає. Такий режим роботи транзистора є неприпустимим.

Рис. 1.16

У схемі ЗК транзистора (див. рис. 1.15, в) вхідним струмом, як і для схеми з ЗЕ, є струм бази , а вихідним - струм емітера I_Е. Ко­ефіцієнт передачі струму в цій схемі

(1.19а)

дещо більший ніж у схемі ЗЕ. Схема ЗК підсилює також потужність оскільки , для графічного аналізу схеми ЗК використовують сім’ї статичних характеристик схеми ЗЕ.

Характеристиками транзистора користуються для визначення ре­жимів роботи транзисторних каскадів за будь-якою схемою ввімкнення, а також для графічного аналізу цих каскадів при великих сигна­лах. Для аналітичного розрахунку транзисторних каскадів застосо­вують лінійні еквівалентні схеми транзисторів, які відображають структурний зв'язок малосигнальних параметрів транзистора в ре­жимі змінного струму.

Еквівалентні схеми транзистора підрозділяють на дві групи: ек­вівалентні схеми, побудовані з урахуванням фізичних властивостей транзистора, його структури і геометрії (моделі транзистора), і еквівалентні схеми, що відображають властивості транзистора як актив­ного лінійного чотириполюсника (формальні еквівалентні схеми). Перші характеризуються фізичними (внутрішніми) параметрами тран­зистора, останні - параметрами транзистора як чотириполюсника(характеристичними параметрами).

Еквівалентна схема, що вміщує в собі фізичні параметри транзис­тора, може бути складена для будь-якої схеми його вмикання: ЗБ, ЗЕ, ЗК. На рис. 1.17, а показано спрощену, так звану Т-подібну еквівалентну схему транзистора з емiтерним керуванням (рис. 1.15, а).

Емітерний перехід, зміщений у прямому напрямі, зображено в ек­вівалентній схемі диференційним опором переходу

(1.20)

який при зміні емітерного струму в межах одиниць або десятків мілі­ампер складає одиниці або десятки омів.

Коло бази транзистора зображено в еквівалентній схемі об’ємним активним опором бази r_B що становить сотні ом. Процес незначного росту колекторного струму I_С зі збільшенням напруги на колекторі U_CВ відтворений в еквівалентній схемі диференційним колекторним опором r_С що визначається співвідношенням

(1.21)

і становить звичайно сотні кілоомів.

Перенесення струму з емітерного кола в колекторне враховане вве­денням еквівалентного джерела струму з коефіцієнтом передачі струму емітера h_21В. Напрям струму джерела h_21В I_Е збігається з напрямом струму емітера.

Бар’єрна ємність С_С = С_б колекторного переходу, що визнача­ється рівнянням (1.5) і під’єднана паралельно активному опору r_С, призводить до збільшення провідності цього паралельного з’єднання. Тому зі збільшенням частоти змінного сигналу зменшується частина змінного струму I_С, який надходить у зовнішнє навантаження (зменшується h_21В). Таким чином, кінцева швидкість руху неосновних носіїв заряду через базу і ємність С_C обумовлює фазові зсуви між стру­мами на вході і виході транзистора, а отже, комплексний характер коефіцієнта передачі струму h_21В і зниження його модуля зі збільшенням частоти. Для покращання частотних властивостей транзистора змен­шують товщину бази (зменшується час переміщення неосновних носіїв через базу) і ємність С_C.

Т-подібну еквівалентну схему транзистора з фізичними парамет­рами (рис. 1.17, б) для схеми вмикання транзистора ЗЕ (див ­рис. 1.15, б) можна одержати із схеми (рис. 1.17, а), ввівши еквівалентне джерело струму h_21Е І_В що характеризує передавання струму з базового кола в колекторне з коефіцієнтом передачі струму бази h_21Е. Однак при I_B = const зміни колекторного струму такі самі, як і зміни емітерного струму що в (h_21Е + 1) разів більші відповідних змін струму бази. Тому паралельно генератору струму h_21Е І_В слід ввімкнути опір та ємність .

Рис. 1.17 Рис. 1.18

Характеристичні параметри транзистора можна знайти, якщо формально уявити транзистор у вигляді активного лінійного чотириполюсника (рис. 1.18, а) з вхідними струмом I₁напругою U₁ та вихідними струмом I₂, і напругою U₂. Якщо будь-які дві з цих чотирьох величин вважати незалежними то дві інші можна знайти з відповідних рівнянь, в які, крім вказаних величин, входять так звані харак­теристичні параметри.

На практиці найбільше поширена так звана система h-параметрів, в якій за незалежні змінні вибрано вхідний струм I₁ та вихідну напругу U₂. Струми та напруги при малих амплітудах змінних складових в цій системі зв'язані такими рівняннями:

(1.22)

де h₁₁ – вхідний опір транзистора при короткозамкненому вихідному колі Ом; h₁₂ – безрозмірний коефіцієнт зворотного зв’язку за напругою при розімкненому вхідному колі h₂₁ – без­ розмірний коефіцієнт передачі струму при короткозамкненому вихід­ному колі і h₂₂ – вихідна провідність транзистора при розімкненому вхідному колі См.

Еквівалентна схема транзистора, що відповідає системі h-параметрів, показана на рис. 1.18, б.

Читайте також:

1. ПОЛЬОВІ ТРАНЗНСТОРИ

Переглядів: 854