Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Рис. 1. Устройство n-p-n транзистора и его условное обозначение.

Биполярные транзисторы, определение, вольт - амперные характеристики, принцип работы и классификация полупроводниковых приборов мы подробно рассматривали на странице http://www.xn--b1agveejs.su/radiotehnika/202-bipolyarnye-tranzistory.html. Для того чтобы усвоить материал, одной статьи мало, две хорошо, а сотни статей еще лучше.

В этой статье рассмотрим принцип действия биполярных транзисторов на простом, доступном языке.

Биполярный транзистор состоит из двух p-n переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1. показана самая простая конструкция n-p-n транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупроводника р-типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями n-типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона.

Принцип действия биполярного транзистора

Рис. 2. Иллюстрация работы транзистора: (а) тока базы нет, (б) ток базы течет.

На рис. 2. показан транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером. В схеме, приведенной на рис. 2.(a), ток базы не течет, а в схеме на рис. 2.(б) переключатель S замкнут, позволяя току из батареи В1 течь в базу транзистора. Сначала рассмотрим схему на рис. 2.(a). Важно отметить, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении и имеющийся потенциальный барьер препятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая утечкой, можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю. Теперь рассмотрим, что произойдет, когда ключ S замкнут (рис. 2.(б)). Переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении, а переход коллектор-база остается смещенным в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа посредством диффузии проходят по базе р-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор. Таков принцип действия биполярного транзистора.

Следующий момент требует объяснения. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе р-типа в процессе диффузии в сторону коллектора? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеется лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базовой батареи В1 Батарея В1 является источником дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока (h_FE). Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизительно 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100.

Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора.

Ранее упоминалось, что при смещении p-n перехода в прямом направлении текущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы пока учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, поскольку область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, поскольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве.

Эффекты второго порядка. Зависимость коллекторного тока от тока базы

Рис. 3. Типичная зависимость коллекторного тока от тока базы в маломощном кремниевом транзисторе.

На рис. 3. показан график зависимости коллекторного тока от тока базы для маломощного кремниевого транзистора: наблюдается линейная зависимость I_C от I_B в широком диапазоне значений коллекторного тока. Однако при малом токе базы коэффициент усиления тока несколько уменьшается. Этот эффект можно объяснить, рассматривая поведение электронов в базе: при очень малом базовом токе ничто не способствует электронам, попавшим из эмиттера в базу, достичь коллектора; только приблизившись к обедненному слою коллектор-база, они затягиваются полем. До этого электроны, совершая случайные блуждания, просто диффундируют сквозь базу, и любой из них может стать жертвой рекомбинации с какой-нибудь встретившейся дыркой. При больших значениях базового тока условия для электронов благоприятнее. Дырки, инжектируемые в виде базового тока, создают небольшое электрическое поле в базе, которое помогает электронам в их движении к обедненному слою. Таким образом, при умеренных токах коллектора (порядка 1 мА) коэффициент усиления тока будет больше, чем при малых токах коллектора (порядка 10 мкА).

При очень больших токах коллектора, когда заселенность базы дырками становится слишком большой, усиление начинает падать. База ведет себя так, как будто она легирована сильнее, чем это есть в действительности, так что значительная часть тока, текущего через эмиттерный переход, состоит из дырок, движущихся из базы в эмиттер так же, как полезные электроны, двигающиеся в другом направлении, к коллектору. Таким образом, все большая и большая часть базового тока является «пустой породой» и поэтому коэффициент усиления тока падает. Этот эффект важен в мощных усилителях, где он может приводить к искажению формы сигнала при больших токах коллектора.

В связи с тем, что зависимость коллекторного тока от тока базы является нелинейной, существуют два определения для коэффициента усиления тока транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления постоянного тока получается просто делением тока коллектора на ток базы; его обозначают h_FE В или β и он важен для переключающих схем. Однако в большинстве случаев, когда речь идет об усилении, мы имеем дело только с небольшими приращениями коллекторного тока, и более подходящим способом определения коэффициента усиления тока является отношение приращения коллекторного тока к приращению тока базы, которое называется коэффициентом усиления тока h_fe или β в режиме малого сигнала. Из рис. 3. следует, что

h_fe=ΔI_C/ΔI_B.

Для большинства практических целей можно считать, что h_FE и h_fe равны.

Ток утечки между коллектором и базой

Хотя переход коллектор-база смещен в обратном направлении, все же существует очень небольшой ток утечки из коллектора в базу, обозначаемый I_CBO поскольку он измеряется с разомкнутой цепью эмиттера. В кремниевом транзисторе при комнатной температуре I_CBO очень мал, обычно менее 0,01 мкА. Однако в случае, когда транзистор включен в схему с общим эмиттером и цепь базы разорвана, как показано на рис. 2.(a), ток I_CBO протекающий по переходу коллектор-база, должен течь в эмиттер, для которого он неотличим от внешнего тока базы. Таким образом, I_CBO усиливается транзистором, и ток утечки между коллектором и эмиттером возрастает до значения I_CEO = h_FE/I_CBO которое может доходить до 1 мкА. Поскольку ток I_CBO в значительной степени является результатом теплового нарушения связей, он увеличивается приблизительно вдвое с ростом температуры на каждые 18 градусов Цельсия. Когда I_CBO становится сравнимым с нормальным током коллекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые p-n переходы могут работать до 200 °С, а германиевые, имеющие много больший ток утечки, только до 85 °С.

Когда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами I_CBO и I_CEO можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатной температуре (20 °С) ток I_CBO имеет значение порядка 2 мкА, так что при h_FE = 100 ток I_CEO будет равен 200 мкА. Этот относительно большой ток утечки является той причиной, по которой германиевые транзисторы вышли из употребления, за исключением специальных целей, когда требуется малая разность потенциалов на германиевом p-n переходе, смещенном в прямом направлении.

n-p-n и p-n-p транзисторы

Описание работы транзистора, данное выше, относится к наиболее распространенным n-р-n транзисторам; также легко доступны р-n-р транзисторы, очень полезные для целого ряда комплементарных схем, так как они обладают характеристиками, идентичными с n-р-n транзисторами, но требуют напряжения питания противоположной полярности. Тогда как в n-р-n транзисторе ток коллектора состоит из электронов, в р-n-р транзисторе он состоит из дырок. Аналогично, ток базы является электронным током, а не дырочным. На рис. 4. показана структура р-n-р транзистора и его условное обозначение.

Рис. 4. Устройство р-n-р транзистора и его условное обозначение.

Материалы по теме:
Усилитель напряжения на биполярном транзисторе
Транзисторы - режим насыщения