Биполярные транзисторы. 
Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы

На прошлой лекции мы рассмотрели работу одного р-п перехода (диода). Однако известно, что гораздо большее применение имеют полупроводниковые приборы с большим числом слоёв разного типа электропроводности, расположенных в разном сочетании. Сегодня мы рассмотрим биполярный транзистор.

Рис. 1.

Принцип действия биполярного транзистора заключается в том, что 2 р-п перехода расположены настолько близко друг к другу, что происходит взаимное их влияние, вследствие чего они усиливают электрические сигналы.

Как показано на рис., это три области — п-, ри п. (В принципе может быть и наоборот: р-, п-, р-; все рассуждения относительно такого транзистора будут одинаковы, различие только в полярностях напряжений, такой транзистор называется р-п-р, а мы для простоты будем рассматривать п-р-п, изображённый на рис.).

Итак, на рис. 1. изображены три слоя: с электронной электропроводностью, причём сильной, что обозначает плюс — эмиттер, дырочной — база, и снова электронной, но более слабо легированной (концентрация электронов самая малая) — коллектор. Толщина базы, т. е. расстояние между двумя р-п переходами, равное L_б, очень мала. Она должна быть меньше диффузионной длины электронов в базе. Это от единиц до десятка мкм. Толщина базы должна быть не более единиц мкм. (Толщина человеческого волоса 20−50 мкм. Отметим также, что это близко к пределу разрешения человеческого глаза, так как мы не можем видеть ничего меньшего, чем длина волны света, т. е. примерно 0,5 мкм). Все остальные размеры транзистора не более примерно 1 мм.

К слоям прикладывают внешнее напряжение так, что эмиттерный р-п переход смещён в прямом направлении, и через него протекает большой ток, а коллекторный р-п переход смещён в противоположную сторону, так что через него не должен протекать ток. Однако вследствие того, что р-п переходы расположены близко, они влияют друг на друга, и картина меняется: ток электронов, прошедший из эмиттерного р-п перехода, протекает дальше, доходит до коллекторного р-п перехода и электрическим полем последнего электроны втягиваются в коллектор. В результате у хороших транзисторов практически весь ток коллектора равен току эмиттера. Потери тока очень незначительны: проценты и даже доли процента.

Рассмотрим более внимательно составляющие токов в биполярном транзисторе п-р-п типа. Это изображено на рис.2:

Рис. 2.

Верхний ток (большая толстая стрелка с минусом) — это ток электронов из эмиттера в коллектор. В эмиттере электронов много, поэтому этот ток большой. Когда электроны входят в базу, то дальше они движутся за счёт диффузии (электрического поля в базе нет) — слева электронов много, а справа — мало. Значит, они движутся слева направо. А в конце базы они попадают в область электрического поля коллекторного р-п перехода, которое вытягивает электроны из базы в коллектор. Так как это поле велико, концентрация электронов в базе непосредственно у коллекторного р-п перехода практически равна нулю. Поэтому градиент концентрации электронов в базе очень велик — слева их очень много, справа — почти нуль, а длина базы очень мала:

где n₀ — концентрация электронов в базе слева (у эммитера), очень велика.

Поэтому диффузионный ток очень велик. А дрейфого тока нет.

На самом деле он есть, но очень маленький. Действительно, напряжение к базе прикладывается, но сбоку, и маленькое (не больше одного вольта). А напряжённость электрического поля рассчитывается как отношение напряжения к расстоянию, на котором это напряжение прикладывается. В нашем случае расстояние — это толщина транзистора в направлении, перпендикулярном направлению диффузионного тока, и эта толщина в 10…1000 раз больше L_б. Поэтому дрейфовый ток существенно меньше диффузионного, второй маленький электронный ток на рис., который показан тоненькой линией, сворачивающей к базовому контакту.

Второй маленький ток электронов — это те электроны, которые встретились в базе с дырками и рекомбинировали. Дырки, необходимые для этого, могут притечь только из базового контакта, так как в коллекторе и в эмиттере их нет. Этот ток вначале обозначен минусом, а далее он встречается с дырочным током, который обозначен плюсом, и выходит из базового контакта (второй маленький точёк).

Третий маленький ток — это диффузионный ток дырок из базы в эмиттер. Он гораздо меньше диффузионного тока электронов (из эмиттера в базу), потому что электронов в эмиттере гораздо больше, чем дырок в базе (напомним, что эмиттер — наиболее сильно легированная область п-р-п транзистора). Это обозначено тоненьким дырочным током, который также может начаться только на базовом контакте, а заканчивается на эмиттерном контакте.

Итак, есть три маленьких тока, которые неизбежно должны проходить из базы в эмиттер: это дрейфовый ток электронов (мал по сравнению с диффузионным), ток рекомбинации (мал, потому что мала толщина базы) и дырочный ток диффузии (мал, потому что мала концентрация дырок в базе по сравнению с концентрацией электронов в эмиттере). И есть большой диффузионный ток электронов из эмиттера в базу, который идёт к коллекторному р-п переходу, и его электрическим полем протягивается в коллектор. Отношение коллекторного тока к базовому — это главный коэффициент, который показывает усилительные возможности транзистора:

Так как I _к>>I_б, эта величина большая, т. е. транзистор усиливает ток. Обычно b? составляет 10 — 300, в редких случаях (у очень широкополосных транзисторов) b? может быть меньше (порядка 2…5), или больше, 5 000…10 000 у супербетатранзисторов.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы:

b—связано с a—=?I_к/I_э формулой:

И наоборот:

Конечно, a—очень близко к единице, но a—<1.

Итак, понятно, откуда берётся усиление в транзисторе по току: если к базе прикладывать маленький ток, то в эмиттере и коллекторе будут протекать токи, в b—и b??? раз большие.

Но в электронике гораздо чаще используются усилители по напряжению. Как это получается?

Обычно управляют транзистором, прикладывая ток или напряжение к эмиттерному р-п переходу, смещённому в прямом направлении. При этом падение напряжения на нём не очень велико — порядка контактной разности потенциалов 0,6…0,7 В. А значит, переменная часть напряжения вообще лежит в пределах 0,1 В.

Выходной ток, которым является ток коллектора, вообще не зависит от напряжения на коллекторе, если только оно нулевое или обратное (чтобы в коллекторном р-п переходе было тянущее поле). Поэтому если подключить коллектор к источнику напряжения через сопротивление, то ток I_к, протекающий через это сопротивление и зависящий только от напряжения на входе, будет выделять напряжение на этом сопротивлении, тем большее, чем больше сопротивление.

Ясно, что максимальное выходное напряжение равно напряжению источника E_п, которое может быть 5…15 В, или даже больше. Пусть E_п=10 В, тогда Итак, мы поняли, из-за чего возникает коэффициент усиления по напряжению. Теперь рассмотрим это более подробно с учётом конкретных схем включения транзистора.

Обычно в схемах биполярные транзисторы изображаются так:

Рис. 3.

Как видно, схематическое изображение совсем не похоже на их действительную конструкцию. Но так принято. Кружок символизирует корпус транзистора. Индексом «б» обозначен контакт к базе, «к» обозначает контакт к коллекторной области, а «э» — к эмиттерной области. Направление стрелки у эмиттерного контакта определяет тип транзистора (п-р-п или р-п-р).

Входом усилительного каскада является эмиттерный р-п переход, т. е. контакты б-э. При нормальном смещении это прямое напряжение для эмиттерного р-п перехода, т. е. вольтам-перная характеристика (ВАХ) выглядит так:

Рис. 4.

Если транзистор открыт, то напряжение на р-п переходе примерно равно 0,6 В. Если оно меньше на 0,1 В, то ток падает.

Подсчитаем, во сколько раз падает ток, если напряжение уменьшается на 0,1 В. Вспомним, что кТ/q=0.026 В, поэтому изменение тока можно приближённо подсчитать по формуле:

Т.е. ток упадёт примерно в 50 раз, и можно будет считать, что через транзистор ток не протекает.

Теперь рассмотрим выходные характеристики п-р-п транзистора, т. е. ВАХ на коллекторе. Сначала будем считать, что транзистор включён по схеме с общей базой:

Рис. 5.

Мы видим, что к эмиттерному р-п переходу приложено прямое смещение: плюс к базовому контакту, а минус к эмиттерному контакту. К коллекторному р-п переходу приложено обратное смещение. В этом случае у хорошего транзистора коллекторный ток лишь незначительно меньше эмиттерного. Значит, вольамперные характеристики должны быть горизонтальными:

биполярный транзистор эмиттер коллектор

Рис. 5.

Это левый рисунок. Здесь представлены четыре линии для четырёх токов эмиттера. На самом деле они выглядят немного не так — см. правый рисунок. Во-первых при отрицательном напряжении (а это будет прямое смещение для коллекторного р-п перехода) ток быстро падает. А при положительном напряжении токи коллектора всё-таки немного нарастают, что происходит из-за того, что с ростом напряжения увеличивается обратное смещение на коллекторном р-п переходе, при этом увеличивается его область объёмного заряда, а значит уменьшается нейтральная часть базы. Это и приводит к тому, что полный коллекторный ток постепенно нарастает. В конце наступает резкий рост тока, связанный с пробоем коллекторного р-п перехода.

Чаще используется схема с общим эмиттером. В этом случае кривые немного сдвигаются вправо:

Рис. 6.

В этом случае в базу и в эмиттер подаются напряжения одного знака, но в базу подаётся не больше 0,7 В, а в коллектор — 5…15 В.

Если в коллекторную цепи включить резистор, то напряжение будет уменьшаться при больших токах, и может достичь нуля. В этом случае наступит режим насыщения: напряжение на колекторном переходе станет прямым, ток пойдёт из коллектора в базу и из эмиттера в базу, ток в коллекторной цепи прекратится, а в базе начнётся накопление электронов. Это так называемый режим насыщения.

Режим насыщения очень неприятен, так как из-за этого накопления носителей в базе резко ухудшается быстродействие транзистора.

В схеме с общей базой этого не происходит.

Отметим также, что нарастание тока коллектора с ростом напряжения на коллекторе можно охарактеризовать величиной дифференциального сопротивления коллектора:

Дифференциальное коллекторное сопротивление у схемы с общим эмиттером (ОЭ) во много раз меньше, чем у схемы с общей базой (ОБ).

Теперь рассмотрим более подробно три наиболее типичные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ). Общим называется тот контакт, который либо прямо связан с землёй, либо через низкое сопротивление источника питания. А на остальных контактах будут входной и выходной сигнал.

Рис. 7.

В схеме ОЭ входной сигнал подаётся на базу, а выходной сигнал снимается с коллектора. Схема и выходные характеристики изображены на рис.:

Видно, что схема стала очень сложной. Однако главное, что здесь есть — это резистор R_к, который определяет коэффициент усиления по напряжению, и который составляет от единиц килоом до мегома (чем больше этот резистор, тем больше усиление). Все остальные элементы более или менее условны.

Прежде всего R_э необходимо для термостабилизации транзистора. Это осуществляется за счёт обратной связи по постоянному току, которую мы обсудим позже. С_э — конденсатор, который шунтирует этот резистор на рабочих частотах, так что при переменном сигнале резистора нет. Этот конденсатор — несколько мкФ. Обычно это электролитический конденсатор.

С_р — разделительные конденсаторы, которые отделяют постоянную составляющую сигнала на входе и выходе схемы от внешних сигналлов. Обычно это несколько мкФ.

R_б1 — важный резистор, управляющий работой транзистора, служит для задания рабочей точки. Этот резистор задаёт постоянную составляющую тока базы. Его значение зависит от величины R_к .

R_б2 — практически ненужный резистор, просто он ставится для предохранения транзистора от сгорания. Его значение должно быть большим, так как стоит он параллельно входу и может его закоротить. Обычно это 1 или несколько килоом, так как входное сопротивление транзистора мало.

R_н — сопротивление нагрузки, лучше, если оно большое, так как оно подключено параллельно выходу транзистора, и если оно будет малым, выходной сигнал упадёт.

U_вх — сигнал на входе транзистора. Как видно, на входе много различных деталей — резисторов и конденсаторов. Но на рабочих частотах сопротивления конденсаторов малы, и они хорошо пропускают сигналы. А два параллельных резистора R_б1 и R_б2 достаточно велики по сравнению с входным сопротивлением транзистора. Поэтому учтём только это входное сопротивление.

Обычно собственно сопротивления транзистора обозначаются малыми буквами:

r_б — сопротивление базовой области транзистора, обычно очень мало — от нескольких Ом до десятков Ом;

r_э — сопротивление эмиттерной области (десятые или сотые доли Ом) и эмиттерного р-п перехода, обычно смещённого в прямом направлении. При открытом транзисторе это в пределах 10…100 Ом.

Оценим сопротивление r_э из формулы для ВАХ р-п перехода при прямом смещении:

(как обычно, при прямом смещении единицей пренебрегаем). Будем оценивать дифференциальную величину r_э. Продифференцируем формулу по U:

Или.

Видно, что сопротивление р-п перехода зависит только от тока, который через него протекает. Так при токе в 1 мА при комнатной температуре (примерно 300⁰К) получается 0,026В/10^-3 = 26 Ом, а при 10 мА получится 2,6 Ом.

Но сопротивление базы как входное сопротивление транзистора определяется сложнее. Дело в том, что ток базы должен увеличиться в b+1 раз (это отношение I_э/I_б). Поэтому и напряжение, упавшее на эмиттерном р-п переходе, увеличится в это же число раз:

Итак, входное сопротивление транзистора будет сильно зависеть от b, r_б и r_э, а также от тока, протекающего через эмиттер. Но это величина не очень большая: если считать, что b=Iа ток равен 1 мА, то это примерно 2,6 кОм, при токе 10 мА — это 260 Ом, при большем токе уже надо добавлять сопротивление базы.

На вход подаётся напряжение U_вх. Ток, протекающий через базу транзистора, равен:

Через коллектор протекает ток I_к = bI_б. Вычислим потенциал на коллекторе. Теперь найдём коэффициент усиления по напряжению К_u=U_вых/U_вх, но так как это затруднительно, будем искать дифференциальный коэффициент усиления:

Видно, что коэффициент усиления по напряжению отрицательный, т. е. выходной сигнал в противофазе с входным, и довольно велик, так как R_k >>r_вх и b>10.

Интересно также провести графическое исследование схемы. Это позволяет сделать правый рис., где показано семейство выходных ВАХ.

Предположим, что мы решили найти коллекторное напряжение с помощью графического метода. Для простоты считаем, что R_э = 0 R_н = бескон. Очевидно:

Справа стоит функция U_к(I_к), семейство этих функция имеется у нас на графике. Слева тоже какая-то функция от I_к. Но это прямая, так называемая нагрузочная прямая. Она определяется напряжением питания и сопротивлением коллектора. Две точки, через которые проходит эта прямая, это:

Нагрузочная прямая тоже изображена на рис. Её пересечение с одной из кривых семейства — это и есть графическое решение нашей задачи. И это решение более правильное, чем наше предыдущее, так как оно учитывает настоящие графики транзистора.

Пусть входные токи таковы, что работают первая и третья кривые семейства.

Рис. 8.

Теперь рассмотрим другую схему включения транзистора:

Здесь на входе транзистора всё точно также, как и в предыдущей схеме. А в коллекторе и эмиттере всё не так! Коллектор соединён прямо с источником питания, выходное напряжение берётся с резистора эмиттера.

Во-первых, это сильно сказывается на входном сопротивлении схемы:

Если входное сопротивление равно 3 кОм, а b=300, то по формуле получается примерно 1 МОм, т. е. очень много.

Почему так получается? Из-за обратной связи. Дело в том, что на транзистор действует разность потенциалов между базой и эмиттером: чем больше эта разность, тем больше ток через эмиттерный р-п переход, тем больше падение напряжения на резисторе R_э, но тем меньше разность потенциалов на эмиттерном р-п переходе. Обратная связь — 100-процентная. Можем вычислить дифференциальный коэффициент усиления путём дифференцирования соответствующих уравнений. Получим:

Если r_э = 30 Ом, а R_э = 3 кОм, то К_uд =1/(1+30/3000)=0,99. Видно, что К_uд меньше 1, но очень близко к ней.

Выходное сопротивление сильно уменьшается по сравнению с R_э .

Кажется, такое устройство не очень то требуется, так как коэффициент усиления меньше 1. Но тот факт, что у схемы с ОЭ как раз плохие параметры из-за того, что у ОЭ низкое входное сопротивление и высокое выходное, не получается использовать несколько схем с ОЭ, так как каждая следующая схема будет закорачивать выходной сигнал предыдущей. Если же между схемами с ОЭ использовать схемы с ОК, то высокое выходное сопротивление ОЭ согласуется с очень высоким входным сопротивлением схемы ОК, а низкое выходное сопротивление схемы ОК согласуется с не очень низким входным сопротивлением следующей схемы ОЭ.

Это происходит потому, что при единичном усилении по напряжению схема с ОК имеет довольно большой коэффициент усиления по току (примерно b?). Часто такие схемы называются эмиттерными повторителями.

Существуют ещё и схемы с общей базой. Они используются довольно редко, поэтому мы их не рассматриваем.

Ниже мы приводим таблицу сравнительных данных по этим схемам.