Тема 3. Біполярні транзистори

 

Біполярні транзистори – це напівпровідникові елементи, які мають три шари напівпровідника з різним типом провідності (відповідно виділяється емітерна, базова та колекторна області), що утворюють два pn-переходи (емітерний між емітерною областю і базовою, та колекторний – між базовою та колекторною областями). Всі зони мають зовнішні виводи, які називаються відповідно емітер (Е), база (Б) та колектор (К)

Сучасні біполярні транзистори виготовляються на основі монокристалічного кремнію за дифузійною технологією з використанням планарного процесу.

Схематичне позначення біполярного транзистора n-p-n та p-n-p типу представлена на рис. 3.1. Тип транзистора на схематичному позначенні визначається за напрямом стрілочки емітера.

Рис. 3.1. Умовне позначення біполярного транзистора

 

Оскільки структура біполярного транзистора є системою двох взаємодіючих pn-переходів, то залежно від полярності напруг на цих переходах розрізняють чотири режими роботи транзистора:

1) відсічка – обидва переходи закриті, транзистор повністю закритий, не пропускає струм і може розглядатися як розімкнений ключ (розрив кола);

2) активний режим – емітерний перехід відкритий, а колекторний закритий, транзистор пропускає струм і здатен підсилювати сигнали;

3) насичення – обидва переходи відкриті, транзистор розглядається як замкнений ключ;

4) активний інверсний режим – емітерний перехід закритий, а колекторний відкритий, такий режим можливий при закриванні біполярного транзистора дуже великим зворотнім струмом бази, коли першим відновлює запірні властивості емітерний перехід при прямому зміщенні колекторного.

Струми транзистора підпорядковуються першому закону Кірхгофа:

.

Для простішого розуміння необхідно запам’ятати, що на схемах струм емітера завжди співпадає з напрямком стрілочки на схемному зображенні транзистора. Якщо струм емітера втікає в транзистор, то два інші струми витікають з нього, і навпаки.

Для опису внутрішніх процесів в транзисторі та при побудові еквівалентних схем заміщення транзистора використовуються його фізичні параметри:

1. Диференційний коефіцієнт передачі емітерного струму (для схеми зі спільною базою)

, . (3.1)

 

2. Диференційний коефіцієнт передачі базового струму (для схеми зі спільним емітером)

, . (3.2)

 

3. Диференційний коефіцієнт передачі струму в схемі зі спільним колектором

. (3.3)

 

4. Диференційний опір емітерного переходу

, rE=(1–10)·n Ом ,

де n=1,2,3,...

5. Об’ємний опір бази rБ – опір при проходженні базового струму через базу. Звичайно rБ>rE . Числове значення опору залежить від типу транзистора і складає 100– 400 Ом.

6. Диференційний опір колекторного переходу

, rK=0,5–1 МОм.

 

Опір колекторного переходу визначає зміну колекторного струму залежно від зміни напруги колектора.

7. Коефіцієнт зворотного зв’язку за напругою, який враховує ефект модуляції ширини бази, тобто процес зміни ширини базової області в залежності від ширини колекторної області при зміні напруги колектора

, = 10-4 – 10-2.

 

8. Зворотний струм колекторного переходу – утворюється в результаті переходу неосновних носіїв заряду з колекторної зони в базову і залежить від температури переходу, тому називається також тепловим струмом.

9. Ємності колекторного та емітерного переходів:

СК=10n пФ, СЕ=100n пФ.

10. Струм колектора, який визначається як сума струму дірок , що досягли колекторної області, та теплового (зворотного) струму колектора :

. (3.4)

Така форма представлення струму колектора пояснює його залежність від теплового струму, тобто по суті від температури зовнішнього середовища. Оскільки при збільшенні температури значення теплового струму зростає, то згідно з рівністю (3.4) значення колекторного струму також зростатиме.

Фізичні параметри транзистора залежать від схеми його вмикання у зовнішнє електричне коло. Існує три схеми вмикання транзистора – зі спіль­ним емітером, базою та колектором, залежно від того, який електрод є спільним для вхідного та вихідного кіл (табл. 3.1). Кожній схемі відповідають свої вхідні та вихідні характеристики та фізичні параметри.

 

Таблиця 3.1. Схеми вмикання біполярних транзисторів

Спільна база Спільний емітер Спільний колектор

Вхідні характеристики схеми – залежність вхідного струму від вхідної напруги, а вихідні характеристики – залежність відповідних вихідних параметрів.

Найбільше поширення в пристроях підсилення сигналів отримала схема зі спільним емітером (рис. 3.5), оскільки при такому вмиканні підсилюються як напруга, так і струм.

а) б)

в)

Рис. 3.5. Вмикання біполярного транзистора за схемою зі спільним емітером

Основні параметри та характеристики схем зведені до табл. 3.2.

 

Таблиця 3.2. Характеристики різних схем вмикання біполярних транзисторів

Характеристика Схема
зі спільною базою зі спільним емітером зі спільним колектором
Вхідна напруга / струм
Вихідна напруга / струм
Коефіцієнт передачі струму
Вхідний опір Rвх 10n Ом * 100n Ом 100n кОм - 1n МОм
Вихідний опір Rвих 0.5 – 1 МОм 30 – 40 кОм 10n Ом
Коеф.підсилення за струмом kI <1 9 ... 99 10…100
Коеф.підсилення за напругою kU ≈ 102 ...103 101 ... 102 < 1
Коеф.підсилення за потужністю kP ≈ 10 ...102 102 ... 104 10...100

* в табл. 3.1: n=1,2,3,...

При розрахунках схем зручно представляти транзистор у вигляді активного чотириполюсника.

У випадку, коли транзистор працює у режимі малих сигналів або, іншими словами, лінійного підсилення, його можна представити у вигляді лінійного чотириполюсника, розглядаючи лише невеликі прирощення струмів (ΔI) та напруг (ΔU). Відповідну схему наведено на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Представлення транзистора у вигляді лінійного чотириполюсника

 

Зв’язок між вхідними та вихідними параметрами активного чотириполюсника (рис. 3.8) виражає система з двох рівнянь (3.8):

, (3.8)

 

де (i=1,2; j=1,2) – так звані h-параметри транзистора:

– вхідний опір транзистора

, (3.9)

– коефіцієнт підсилення за струмом

. (3.10)

– коефіцієнт зворотного зв’язку за напругою

, (3.11)

 

– вихідна провідність транзистора (вимірюється в сіменсах – См)

. (3.12)

 

Для випадку вмикання транзистора за схемою зі спільним емітером (рис. 3.9) h-коефіцієнти чотириполюсника за формулами (3.9)–(3.12) розраховуються наступним чином: