Герасимов В.Г. (ред). - Электрические измерения и основы электроники (1998), страница 14

Вопрос 2.1. Движению каких носителей заряда из р-полупроводника в и полупроводник не препятствует двойной электрический слой на границе двух полупроводников? Варианты ответа: 2.1.1. Дырок. 2.1.2. Электронов. 2.1.3. Положительных ионов. 2.3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Биполярным транзистором называют полупроводниковый электро- преобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления электрической мощности.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и г)ырок (отсюда их название — биполярные транзисторы). В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников различной электропроводности создаются два р-и-перехода с чередующимися типами электропроводности. Таким образом, биполярные транзисторы по своей структуре могут быть подразделены на два типа: р-п-р и п-р-п (рис.2.9). Для изготовления транзисторов широко применяются два полупроводниковых материала: германий и кремний.

р - л — р % а) б) Рис.2.9. Структуры и условные графические обозначения биполярных транзисторов типов р-п-р (а) и п-р-п (б) 73 Один из крайних слоев с высокой концентрацией примесей, а следовательно, и основных носителей заряда называют эмиттером, он главным образом и создает ток транзистора. Другой крайний слой с несколько меньшей концентрацией основных носителей заряда называется коыектором и служит для приема носителей заряда, поступающих из эмиттера. Между эмиттером и коллектором находится баэп — тонкий слой полупроводника, обедненного носителями заряда, с помощью которого осуществляются необходимые смещения обоих р-и-переходов и через который существует сквозной ток от эмиттера к коллектору. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эиирптер~ы.и переходом, а между коллектором и базой — ко;иекторным.

На рис. 2.10 показаны структура и конструкция маломощного транзистора. Рассмотрим работу транзистора типа и-р-п. Между коллектором и базой приложено относительно высокое обратное напряжение УкБ (рис.2.11). При отсутствии эмиттерного тока Уэ небольшой обратный ток Укс через закрытый коллекторный переход обусловлен движением только неосновных носителей заряда (для транзистора типа п-р-п это движение дырок из коллектора в базу и электронов из базы в коллектор). Ток око не зависит от тока эмиттера, но существенно зависит от температуры и с ее повышением возрастает.

Обратный коллекторный ток обычно составляет 10 — 100 мкА у германиевых и О,! — 10 мкА у кремниевых транзисторов. г эмипер еза Рис. 2.10 Структура (а) и конструкция (б) маломощного биполярного транзистора: 7 — металлический корпус, 2 — кристалл полупроводника, 3 — стеклянные изоляторы; 4,5,6 — выводы коллектора, базы и эмиттера соответственно б) Рис.2. ! ! Движенис носителей заряда в транзисторе типа и-р-и 74 При подаче на переход база-эмиттер прямого напряжения (Уэв от источника питания возникает эмиттерный ток 1э, основные носители заряда — электроны преодолевают переход и попадают в базу. База выполнена из обедненного носителями заряда р-полупроводника и для нее электроны являются неосновными носителями заряда.

Попавшие в область базы электроны частично рекомбинируют с дырками базы. Но поскольку толщина базы небольшая и концентрация дырок в базе низкая, рекомбинируют лишь немногие электроны, образуя базовый ток 1Б. Большинство же электронов, попав в ускоряющее электрическое поле вблизи коллекторного р-п-перехода, втягиваются в коллектор, свободно проходя через закрытый р-и-переход. Эта составляющая коллекторного тока мало зависит от напряжения на коллекторном р-л-переходе, т.е. при наличии электрического поля все электроны, за исключением рекомбинировавших, попадают в коллектор.

Очевидно, что ток коллектора всегда меньше тока эмиттера на значение тока базы и практически равен току эмиттера. Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока д 1к Л1к д 1Э УкБ — — сопй Л 1Э (/КБ=сопь1 Для современных биполярных транзисторов а =0,9 —: 0,995. При 1э ~ 0 коллекторный ток транзистора 1к=1кс+ "1э. Таким образом, входным (управляющим) током является эмиттерный ток, а выходным — коллекторный.

Транзисторы типа р-п-р работают аналогично, только полярности внешних источников меняются на противоположные. В зависимости от того, какой электрод транзистора используется в качестве общего вывода для входной и выходной цепей, различают тРи схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Рассмотренная на рис. 2.11 схема включения называется схемой с ОБ, на практике она используется редко. Наиболее распространенной является схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (рис 2.12, а).

Для такой схемы входной контур проходит через "ереход база-эмиттер и в нем возникает ток базы Б 1Э 1к (1 с') 1Э 1КО Э 1к Малое значение тока базы во входном контуре и обусловило шиРокое применение схемы с общим эмиттером. а) б) Рис 2 !2 Включение транзистора типа п-р-и по схеме с общим эмизтером (а) и его упрощенная схема замещения (б) 1ь,мкл 1к,мА 1ь= оООмкА баа аа ба еа В гаа а аг ач аа (1э,В а 10 15 га ~)к к б) (б) вольт-амперные характеристики бипо- а) Рис 2 !3 Входная (а) и выходные ляриого транзистора Для анализа работы транзистора и для расчетов схем при больших сигналах часто используются ВАХ транзистора На рис 2 13 показаны типовые ВАХ маломощного биполярного транзистора по схеме включения с ОЭ Зависимость между током и напряжением во входнои цепи транзистора 1Б — — )!(11Б~) называют входной или базовой характеристикой транзистора (см рис 2 13,а) Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и змиттером при фиксированных значениях тока базы 1к —— 6(С)к-э)11 оп,г называют семеиством выходных (коллекторных) ВАХ транзистора (см рис 213,б) Входная характеристика практически не зависит от напряжения ()к-.э а выходные приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения У!с~ Для аналитических расчетов малосигнальных устройств с биполярными транзисторами используются 6-параметры транзистора При малых изменениях сигналов транзистор можно считать линейным активным четырехполюсником, а его электрическое состояние описывается системой из двух линейных уравнений На рис 2 12,6 показана схема замещения транзистора, включенного по схеме с 03 Электрическое состояние транзистора характеризуют четыре величины, две из которых — 1Б и Гк~ — считаются независимыми, а две других — ЬБ~ и 1к — могут быть выражены через них.

Тогда ЛсБЭ 1г11Э Б 12Э КЭ Л1К ~г21 Л1Б г22Э Л~ КЭ Л (1БЗ где 11,, —— , при УКЗ= сопвг (ЛУКЭ=О); Б Ь12Э вЂ”вЂ” — при 1Б= сопзг ( Л1Б=О ); Л ~~БЗ Л ~ КЭ вЂ” — при Гкэ= сопз1 (ЛУкэ=О); Л 1К Л 1Б гг22Э= при 1Б- сопз1 ( Л1Б=О ). Л 1К КЭ Параметры Ь могут быть легко определены по входной и выходным характеристикам транзистора с учетом приведенных выше зависимостей Параметр Л11Э имеет размерность сопротивления, он представляет собой входное гоггрогиивлеггие биполярного транзистора. Параметр 1г12З вЂ” безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению.

Его значения лежат в пределах 0,002 — 0,0002 и в большинстве случаев им можно пренебречь, т.е. полагать равным нулю. Параметр 1г21Э вЂ” коэффиг1иеппг передачи гпока, характеризукиций усилительные (по току) свойства транзистора при постоянном напряжении на коллекторе. Параметр 1г22З имеет размерность проводимости и характеризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы. 6-параметры транзистора позволяют достаточно просто создать его схему замещения, в которой присутствуют только резистивные элементы и управляемый источник тока.