Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Особенность транзистора состоит в том, что между его электронно-дырочными переходами существует взаимодействие — ток одного из переходов может управлять током другого.

Такое управление возможно, потому, что носители заряда, инжектированные через один из электронно-дырочных переходов, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным напряжением, и изменить его ток.

Основанием биполярного транзистора служит пластина полупроводника, называемая базой. С двух сторон в нее вплавлена примесь, создающая области с проводимостью, отличной от проводимости базы. Таким образом получают транзистор типа n-p-n, когда крайние области являются полупроводниками с электронной проводимостью, а средняя — полупроводником с дырочной проводимостью и транзистор типа p-n-p, когда крайние области являются полупроводниками с дырочной проводимостью, а средняя — полупроводником с электронной проводимостью. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция носителей в базу, а другую — так, чтобы соответствующий электронно-дырочный переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы. Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером, соответствующий электронно-дырочный переход — эмиттерным. Область транзистора, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором, а соответствующий электронно-дырочный переход — коллекторным.

При использовании транзистора в схемах на его переходы подают внешнее напряжение см. рис. 1 - структура транзистора и схема подачи напряжений на его электроды.

В зависимости от полярности эти напряжений каждый из переходов может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. Соответственно различают три режима работы транзистора: режим отсечки, когда оба перехода заперты; режим насыщения, когда оба перехода отперты; активный режим, когда эмиттерный переход частично отперт, а коллекторный-заперт. Если же эмиттерный переход смещен в обратном направлении а коллекторный — в прямом, то транзистор работает в обращенное (инверсном) включении.

В основном транзистор используют в активном режиме, где для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении на базу транзистора типа p-n-p подают отрицательное напряжение относительна эмиттера, а коллектор смещают в обратном направлении подачей отрицательного напряжения относительно эмиттера. Напряжение на коллекторе обычно в несколько раз больше напряжения на эмиттере.

Классификация биполярных транзисторов

Транзисторы классифицируются по исходному материалу, рассеиваемой мощности, диапазону рабочих частот, принципу действия. В зависимости от исходного материала их делят на две группы: германиевые и кремниевые. Германиевые транзисторы работают в интервале температур от -60 до +78...85°С, кремниевые — от -60 до +120...150°С. По диапазону рабочих частот их делят на транзисторы низких, средних и высоких частот, по мощности — на классы транзисторов малой, средней и большой мощности. Транзисторы малой мощности делят на шесть групп: усилители низких и высоких частот, малошумящие усилители, переключатели насыщенные, ненасыщенные и малотоковые (прерыватели); транзисторы большой мощности — на три группы: усилители, генераторы, переключатели. По технологическому признаку различают транзисторы сплавные, сплавно-диффузионные, диффузионно-сплавные, планарные, эпитаксиальные, конверсионные, эпитаксиально-планарные.

Параметры постоянного тока биполярных транзисторов

Рис. 2. Схемы измерения: а — обратного тока коллектора; б — обратного тока эмиттера; в — обратного тока коллектор — эмиттер.

Параметры постоянного тока характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами перехода. Обратный ток коллектора I_КБО — ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор — база и разомкнутом выводе эмиттера (рис. 2,а).

Обратный ток эмиттера I_ЭБО — ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер - база и разомкнутом выводе коллектора (рис. 2,б). Обратный ток коллектор - эмиттер I_КЭ (При разомкнутом выводе базы I_КЭО; при коротко замкнутых выводах эмиттера и базы _КЭК; при заданном сопротивлении в цепи база — _КЭR; при заданном обратном напряжении эмиттер — база I_КЭХ.) — ток в цепи коллектор — эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор — эмиттер (рис. 2,в).

Обратные токи коллектора и эмиттера биполярного транзистора зависят от температуры переходов:

I_КБО=I⁽²⁵⁾_КБОe^{k₁(T_п-25)}; I_ЭБО=I⁽²⁵⁾_ЭБОe^{k₁(T_п-25)}

где I⁽²⁵⁾_КБО, I⁽²⁵⁾_ЭБО - обратные токи коллектора и эмиттера при 25 °С; k₁ — коэффициент, равный 0,06...0,09 1/°С для германия и 0,08...0,12 1/°С для кремния; Тп — температура перехода, °С. Эти зависимости могут быть нарушены вследствие протекания тока поверхностной утечки, особенно при низких температурах, когда объемные токи I_КБО и I_ЭБО малы, и больших напряжениях, когда поверхностные токи сравнительно велики. Обратный ток коллектора является основным дестабилизирующим фактором в каскадах на транзисторах.

Рис. 3. Схема четырехполюсник эквивалентного транзистору.

Малосигнальные параметры характеризуют работу транзистора при воздействии малого сигнала, т. е. сигнала, возрастание амплитуды которого в 1,5 раза приводит к незначительному изменению параметра (обычно не более чем на 10 %). При воздействии малого сигнала транзистор рассматривают как линейный активный несимметричный четырехполюсник (рис. 3), у которого один из зажимов всегда является общим для входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов транзистора подключен к общему зажиму, различают включения с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Варианты схем включения транзистора приведены на рис. 4.

В соответствии с теорией четырехполюсников входные и выходные напряжения и токи (U₁ I₁ и U₂, I₂) однозначно связаны между собой системой уравнений, содержащей четыре параметра четырехполюсника.

Рис. 4. Схемы включения биполярного транзистора.

Система h-параметров получила широкое распространение, так как при измерении этих параметров требуется воспроизведение холостого хода на входе (I₁=0) или короткого замыкания на выходе (U₂= 0), что легко выполнять. В этой системе параметров уравнения четырехполюсника записываются в виде

U₁=h₁₁I₁+h₁₂U₂; I₂=h₂₁I₁+h₂₂U₂.

Все h-параметры имеют определенный физический смысл: h₁₁=U₁/I₁ — входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе (U₂=0); h₁₂=U₁/U₂ — коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом по переменному току входе (I₁=0); h₂₁=I₂/I₁ — коэффициент передачи тока при короткозамкнутом выходе (U₂=0); h₂₂=I₂/U₂ — выходная проводимость при разомкнутом по переменному току входе (I₁=0).

Обычно h-параметры измеряют при включениях транзисторов ОБ или ОЭ. Связь между h-параметрами для разных схем включения определяется формулами

h_11б≈h_11э/(1+h_21э); h_11к≈h_11э

h_12б≈h_11эh_22э/(1+h_21э); h_12к≈1/(1+h_12э)

h_21б≈-h_21э/(1+h_21э); h_21к≈1/-(1+h_21э)

h_22б≈h_22э/(1+h_21э); h_22к≈h_22э

Для наиболее часто используемых параметров (коэффициент передачи тока при включении с ОБ и ОЭ) введены дополнительные обозначения: h_12б= -α; h_21э=β. Зависимость между α и β определяется выражением β=α/(1-α). Так как малосигнальные параметры измеряют на низкой частоте (в основном 270 и 1000 Гц), их можно считать действительными величинами.

Система y-параметров используется преимущественно на высоких частотах. По способу определения y-параметры являются параметрами короткого замыкания по переменному току на входе или выходе, что вытекает из уравнений I₁=y₁₁U₁+y₁₂U₂; I₂=y₂₁U₁+y₂₂U₂

Все y-параметры имеют определенный физический смысл: y₁₁=I₁/U₁ — входная проводимость при короткозамкнутом выходе (U₂ = 0); y₁₂=I₁/U₂ — обратная взаимная проводимость при короткозамкнутом входе (U₁ = 0); y₂₁=I₂/U₁ — прямая взаимная проводимость (крутизна) при короткозамкнутом выходе; y₂₂=I₂/U₂ — выходная проводимость при короткозамкнутом входе.

Связь между h и y-параметрами выражается формулами:

h₁₁=1/y₁₁; y₁₁=1/h₁₁;

h₁₂=-y₁₂/y₁₁; y₁₂=-h₁₂/h₁₁;

h₂₁=y₂₁/y₁₁; y₂₁=h₂₁/h₁₁;

h₂₂=y₂₂-y₁₂y₂₁/y₁₁; y₂₂=h₂₂-h₁₂h₂₁/h₁₁

Обычно в справочниках приводятся h-параметры при включении транзистора с ОБ. По этим параметрам можно определить y-параметры при включении с ОЭ:

y_11э=(1-h_21б)/h_11б; y_12э=h_22б-h_12б(1-h_21б)/h_11б;

y_21э=S₀=h_21б/h_11б; y_22э=h_22б+h_12бh_21б/h_11б.

Если вместо h_21б в справочнике приведено h_21э, то следует воспользоваться формулой h_21б=h_21э/(1+h_21э).

Малосигнальные параметры транзисторов зависят от схемы его включения, режима работы, температуры и частоты. Так, параметр h_21э прямо пропорционален, a h_11б — обратно пропорционален току коллектора. Это необходимо учитывать, если режим работы транзистора отличается от режима измерения параметров.

Высокочастотные параметры биполярных транзисторов

Высокочастотные параметры характеризуют транзисторы на высоких частотах. Граничная частота по определенному параметру — это частота, выше которой транзистор не может быть использован как усилительный элемент. Граничная частота коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером f_гр — частота, при которой модуль коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером экстраполируется к единице.

Предельная частота по определенному параметру — частота, при которой этот параметр уменьшается на определенную величину (обычно 3 дБ) по сравнению с первоначальным (низкочастотным). Предельная частота передачи тока при включении с ОБ f_h21б — частота, при которой модуль коэффициента передачи тока уменьшается на 3 дБ по сравнению со значением на низкой частоте. Предельная частота по крутизне прямой передачи f_y21э — частота, при которой модуль крутизны прямой передачи в схеме с ОЭ уменьшается на 3 дБ по сравнению с его значением на низкой частоте. Максимальная частота генерации f_max — наибольшая частота, при которой транзистор способен генерировать в схеме автогенератора.

Емкость коллекторного перехода С_к — емкость между выводами базы и коллектора при заданном обратном напряжении эмиттер — база и разомкнутой эмиттерной цепи. Емкость С_к в первом приближении является функцией напряжения на коллекторе U`_кэ:

С_к≈√U`кэ/Uкэ С_{к.справ}

где, С_{к.справ} — емкость коллекторного перехода, приведенная в справочнике для определенного U_кэ. Сопротивление базы r_б, — сопротивление между выводами базы и переходом база — эмиттер. На достаточно высокой частоте r_б=|h_11э|.

Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте τ_к произведение сопротивления базы на емкость коллекторного перехода (τ_к=r_бС_к). Эта величина используется при расчетах y-параметров на высоких частотах. В справочных данных приводятся С_к, r_б, измеренные при определенном режиме.

Высокочастотные параметры транзистора связаны между собой определенными зависимостями, например:

f_max≈180√f_грτ_к;

f_h21б≈h_21бf_гр;

f_y21э=f_грh_11б/r_б`; f_y21э=f_гр/(1+h_21э)

где f_max — максимальная частота генерации, МГц; f_гр — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц; τ_к — постоянная времени, f_h21б — предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОБ, МГц; f_y21э — предельная частота по крутизне прямой передачи, МГц, f_h21э — предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ, МГц.

Активные составляющие входной и выходной проводимостей транзистора на высокой частоте f < 500 МГц в схеме с ОЭ можно определить по формулам:

g_вх=(1+h_21эh_11бγ²_s/r_б')/h_21эh_11б(1+γ²_s); (IV.1)

g_вых=h_22б+h_21б/h_11б(h_12б+(2 π f_s τ_к γ²_s)/(1+γ²_s)); (IV.2)

входную и выходную емкости — по формулам

C_вх=(1-r_б'/h_11эh_21э)/(2πf_грh_11б(1+γ²_s)); C_вых=C_к + τ_к/(h_11б(1+γ²_s)); (IV.3)

крутизну прямой передачи — по формуле

y_21э=h_21э/(1+h_21э)h_11б√1+γ²_s; (IV.4)

модуль обратной взаимной проводимости — по формуле

|y₁₂|=2 π f_sγ_sC_к; (IV.5)

где γ_s=f/f_y21э. Если величина h_11б отсутствует в справочных данных транзистора, ее можно рассчитать по формуле h_11б≈r_э+r'_б/h_21э. В формулах (IV.1) ... (IV.5) не учтены индуктивности выводов транзистора, которыми можно пренебречь на частотах f< 0,3f_гр не снижая точности расчета.

Коэффициент шума Кш — отношение мощности шумов на выходе транзистора к той ее части, которая вызвана тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума существенно зависит от частоты, режима транзистора (U_k, I_э), внутреннего сопротивления источника сигнала и температуры. В таблицах параметров транзисторов приведены гарантируемые максимальные значения в определенном, не оптимальном режиме и только для малошумящих транзисторов. Для получения, минимального уровня шумов необходимо найти наивыгоднейший режим по току и напряжению при оптимальном сопротивлении источника сигнала. Для обеспечения работы усилителя в «малошумящем» режиме необходимо, чтобы его первые каскады использовались при малых токах эмиттера (0,1...0,5 мА), небольшом напряжении на коллекторе (0,5...2,5 В) и по возможности узкой полосе рабочих частот.

Параметры большого сигнала характеризуют работу транзистора при изменениях токов и напряжений в широких пределах. Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером h_21э — отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданном постоянном обратном напряжении коллектор — эмиттер и токе эмиттера в схеме с общим эмиттером. Статическая крутизна прямой передачи в схеме с общим эмиттером y_21э — отношение постоянного тока коллектора к постоянному напряжению база — эмиттер при заданном напряжении коллектор — эмиттер. Статическая крутизна прямой передачи используется для расчета схем с генератором напряжения на входе (например, в мощных усилительных каскадах) и почти не зависит от схемы включения транзистора.

Тепловые параметры характеризуют устойчивость транзисторов при работе в широком диапазоне температур и определяют связь между рассеиваемой электрической мощностью и температурой определенных областей приборов. Максимальная температура перехода Т_max — максимальная положительная температура перехода, при которой обеспечивается заданная надежность, устанавливаемая с определенным коэффициентом запаса. Для германия Т_max составляет 80...100 °С, для кремния — 150...200°С. Минимальная температура перехода (окружающей среды) Т_min — минимальная отрицательная температура, при которой обеспечивается заданная надежность. Т_min определяется разрушающими механическими усилиями, возникающими между отдельными элементами транзистора при его охлаждении. Общее тепловое сопротивление транзистора R_Тп.с — отношение разности температур между коллекторным переходом и окружающей средой к мощности, рассеиваемой на транзисторе в, установившемся режиме. Внутреннее тепловое сопротивление транзистора R_Тп.к — отношение разности температур между коллекторным переходом и корпусом транзистора к мощности, рассеиваемой на транзисторе в установившемся режиме. Температура корпуса (перехода) транзистора определяется условиями теплоотвода, рассеиваемой мощностью. Максимально допустимая рассеиваемая мощность биполярного транзистора с ростом температуры окружающей среды снижается и для каждого конкретного ее значения может быть определена по формулам

P_max=(Т_{п max}-Т)/R_Тп.с (без теплоотвода)

P_max=(Т_{п max}-Т)/(R_Тп.к+R_к.с) (с теплоотводом)

где R_к.с с — тепловое сопротивление корпус — среда, °С/Вт (определяется качеством радиатора). Для транзисторов малой мощности в справочнике приводится R_Тп.с, а для мощных транзисторов — R_Тп.к.

Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов

Вольт-амперные характеристики содержат информацию о свойствах транзистора во всех режимах работы при больших и малых сигналах, в том числе о связях между параметрами. По вольт-амперным характеристикам можно определить ряд параметров, не приводимых в справочной литературе, а также рассчитать цепи смещения, стабилизации режима, оценить работу транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений. В основном используются два семейства статических вольт-амперных характеристик: входных и выходных.

Рис. 5. Входные характеристики биполярного транзистора при включении: а — с ОБ; б — с ОЭ.

Входные характеристики устанавливают зависимость входного тока (ток базы или эмиттера) от напряжения между базой и эмиттером при определенном напряжении на коллекторе. Входные характеристики транзистора (рис. 5) аналогичны характеристикам диода в прямом направлении с экспоненциальным возрастанием тока при увеличении напряжения. При U_к > 0 входные характеристики мало зависят от напряжения на коллекторе. При понижении или повышении температуры переходов транзистора входные характеристики смещаются в область больших или меньших входных напряжений соответственно.

Рис. 6. Выходные характеристики биполярных транзисторов а — с ОБ; б — с ОЭ.

Выходные характеристики устанавливают зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от способа включения транзистора). Отличительной особенностью выходных характеристик транзистора (рис. 6), включенного по схеме с общей базой, является слабая зависимость тока коллектора от напряжения U_КБ. При напряжении U_КБ выше определенного значения происходит пробой коллекторного перехода. Ток коллектора транзистора, включенного по схеме с ОЭ, в основном зависит от напряжения на коллекторе. Резкое возрастание тока коллектора начинается при меньшем напряжении на коллекторе, чем при включении транзистора по схеме с общей базой. Только при закрытом транзисторе (U_ЭБ= 0) напряжение пробоя приближается к напряжению пробоя транзистора, включенного по схеме с общей базой. При повышении температуры переходов выходные характеристики смещаются в сторону больших токов из-за увеличения обратного тока коллекторного перехода.

Статические вольт-амперные характеристики транзисторов на постоянном токе строят по точкам или получают с помощью специальных характериографов, позволяющих избежать сильного нагрева транзисторов. Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов биполярных транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. Максимально допустимые импульсные параметры приводятся для заданной скважности и длительности импульсов. К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое постоянное напряжение коллектор — база U_КБmax максимально допустимое постоянное напряжение коллектор — эмиттер U_КЭmax, максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер — база U_ЭБmax, максимально допустимый постоянный ток коллектора I_Кmax, максимально допустимый постоянный ток эмиттера I_Эmax, максимально допустимый постоянный ток базы I_Бmax, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора P_Кmax, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность транзистора P_max.

Смотрите так же
Рекомендации по применению биполярных транзисторов