Текст Общ.св-я 1



Тема: Биполярные транзисторы

1. Общие сведения о биполярных транзисторах

Транзистор – это полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три и более электрода (вывода).

Транзисторы применяются для усиления по току, напряжению или мощности, генерирования или преобразования электрических сигналов различной формы, а также для переключения электрических цепей.

По принципу действия транзисторы делятся на две группы. Первая – это биполярные транзисторы (БТ). Вторая группа – это униполярные транзисторы, ещё их называют полевыми транзисторами (ПТ).

В биполярных транзисторах ток создаётся двумя видами подвижных зарядов – дырками и электронами, а в полевых – только электронами или только дырками.

У биполярных транзисторов управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного тока – Iвых = f (Iвх), а у полевых – входного напряжения – Iвых = f (Uвх). Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения Uвых и выходного тока Iвых.

Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают очень большим входным сопротивлением Rвх ≈ единицы — сотни МОм, т.е. входной ток у них очень мал, а следовательно и мощность входного сигнала Pвх = IвхUвх мала.

Классификация биполярных транзисторов:

1. по назначению

а) универсальные;

б) усилительные;

в) генераторные;

г) переключающие;

д) импульсные;

2. по исходному материалу

а) кремниевые (Si) – применяются наиболее часто;

б) германиевые (Ge);

3. по числу электрических переходов

а) однопереходные (двухбазовый диод);

б) двухпереходные – применяются наиболее часто;

в) многопереходные (многоэмитторные, многоколлекторные – применяются в цифровых интегральных микросхемах).

4. по чередованию типа проводимости

а) npn (обратной проводимости);

б) pnp (прямой проводимости);

5. по характеру движения подвижных зарядов в базе

а) дрейфовые;

б) бездрейфовые;

6. по конструктивному оформлению

а) корпусные;

б) бескорпусные;

7. по технологии изготовления

а) сплавные;

б) диффузионно-сплавные;

в) эпитаксиально-планарные;

г) планарные;

д) конверсионные;

е) меза-планарные;

ё) меза-эпитаксиально-планарные;

ж) ионно-имплантационные;

8. по частоте (для биполярных транзисторов f 10ГГц)

а) низкой (f 30 МГц);

б) высокой (30 МГц f 300 МГц);

в) сверхвысокой (f 300 МГц);

9. по мощности:

а) малой (Р 0,3 Вт );

б) средней (0,3Вт Р 1,5 Вт);

в) большой (Р 1,5 Вт).

Внешний вид, форма корпуса некоторых типов биполярных транзисторов показан на рис.1.

а) б)



в) г)

Риc.1. Внешний вид некоторых типов биполярных транзисторов: а – в металлических корпусах, б – бескорпусных, в сверхвысокочастотных в металлокерамических корпусах, г – в металлопластмассовом корпусе

Биполярный транзистор состоит из трёх последовательно чередующихся слоёв полупроводника, например, двух p-типа и одного слоя – n-типа или наоборот (рис.2,а,б). В качестве исходного материала для получения трёхслойной структуры используют чаще кремний и реже германий (кремниевые и германиевые транзисторы).

В зависимости от последовательности чередования слоёв полупроводника различают транзисторы типов р-п-р или п-р-п.

Риc.2. Полупроводниковая структура транзисторов типов pn(а) и npn (б); их условные обозначения в электронных схемах (в, г); сплавная транзисторная структура типа р-n(д); пример конструктивного исполнения маломощного транзистора (е): 1 – основание корпуса; 2крышка корпуса; 3 – внутренний вывод эмиттера; 4 – таблетка индия; 5 – кристаллодержатель; 6 – пластина германия n-типа; 7 – таблетка индия; 8 – внутренний вывод коллектора; 9 – стеклянный изолятор

Трёхслойная транзисторная структура типа р-п-р, выполненная по сплавной технологии, показана на рис.2,д. Пластина полупроводника п-типа является основанием, т.е. базой конструкции, отсюда и название этого слоя – база (base) и внешний вывод (электрод) от этого слоя – база.

Два наружных р-слоя создаются в результате введения в них акцепторной примеси. Один из слоёв называется эмиттерным, а другой – коллекторным. Также называются и p-n-переходы (рис.2,а,б): эмитторный переход П1, коллекторный переход – П2. Они созданы этими р-слоями с n-слоем базы. Внешние выводы от этих р— и n-слоёв – коллектор и эмиттор (collector и emitter).

К областям эмиттера, базы и коллектора припаиваются невыпрямляющие контакты, служащие выводами эмиттера, базы и коллектора.

Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «Б», «Э» и «К». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно IБ, IЭ, IK, Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например, напряжение между базой и эмиттером UБЭ, между коллектором и базой UКБ, между коллектором и эмиттером UКЭ.

Назначение эмиттерного перехода – инжектирование (введение, эмиттирование) подвижных зарядов – дырок или электронов – в базу. Назначение коллекторного перехода – сбор (экстракция, втягивание) подвижных зарядов, прошедших через базовый слой.

В транзисторах типа п-р-п назначение всех трёх слоёв и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящих через базу: в приборах типа р-п-р – это дырки, в приборах типа п-р-п – электроны.

Симметричные структуры биполярных транзисторов, показанные на рис.2,а,б , являются идеальными.



Структура реального транзистора несимметрична (рис. 2,д):

площадь коллекторного перехода делают значительно больше, чем эмиттерного SК > SЭ. Это позволяет подвижные заряды, инжектируемые эмиттером и проходящие через базу, полнее собирать коллектором;

толщину базы dб делают малой – она не превышает нескольких микрометров (микрон). Тонкая база необходима для того, чтобы инжектированные в неё подвижные заряды могли без значительных потерь из-за рекомбинации достигать коллекторного перехода П2. Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле, и подвижные заряды совершают в базе только диффузное движение. В случае неравномерного распределения примеси в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения подвижных зарядов: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. Биполярные транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми;

концентрация примеси в эмиттерной области делают значительно больше концентрации примеси в области базы, т.е. чтобы для транзистора типа р-п-р концентрация дырок в p-эмиттере была больше концентрации электронов в n-базе рЭ > nБ. База является высокоомной областью, коллектор – низкоомной, а эмиттер – самой низкоомной. Для увеличения максимально допустимого напряжения коллектора, которое ограничивается напряжением пробоя коллекторного перехода, зависящего от толщины запирающего слоя, в область коллектора обычно вносят меньшую дозу примеси NК, чем в область эмиттера, но большую, чем в базу – NЭ > NК > NБ.

У первых транзисторов p-n-переходы были точечными, но они работали неустойчиво. В настоящее время изготавливаются и применяются транзисторы только с плоскостными p-n-переходами.

Физические процессы в р-п-р или п-р-п типах транзисторов одинаковы.

Условное обозначение транзисторов типов р-п-р или п-р-п показано на рис.2,в,г. Эмиттер изображают в виде стрелки, которая для каждого типа транзистора показывает направление тока эмиттерного перехода. Пример конструктивного исполнения маломощного транзистора показан на рис.2,е.

2. Понятие о режимах работы и схемах включения

биполярного транзистора

Режимы работы. Каждый pn-переход (эмиттерный или коллекторный) биполярного транзистора, с помощью внешнего источника постоянного напряжения, можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении.

Возможны четыре варианта полярностей напряжения на переходах, определяющих четыре режима работы транзистора: активный нормальный режим, активный инверсный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

Режим активный нормальный (РАН) – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим работы транзистора используется для усиления входного сигнала. Выходной ток управляется входным.

Режим активный инверсный (РАИ) – на коллекторный переход подано прямое напряжение, а на эмиттерный – обратное. Инверсный режим работы приводит к уменьшению усиления, по сравнению с работой транзистора в РАН и поэтому применяется крайне редко.

Режим насыщения (РН) – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) смещены в прямом направлении. Поэтому через транзистор проходят большие прямые токи. Выходной ток в этом случае не зависит от входного, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где транзисторы не усиливают сигналы, а замыкают электрическую цепь как электронный ключ. В этом режиме сопротивление транзистора очень мало.

Режим отсечки (РО) – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) смещены в обратном направлении. При этом через переходы проходят очень малые обратные токи, вызванные неосновными подвижными зарядами. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов. ключ. В этом режиме сопротивление транзистора очень большое.

Режимы насыщения и отсечки обычно применяются совместно. Они осуществляют коммутацию (переключение) как силовых, так и информационных цепей, т.е. биполярный транзистор используется как электронный ключ.

Кроме вышеперечисленных режимов в транзисторе возможен режим пробоя переходов (режим лавинного умножения – РЛУ). Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, но существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя коллекторного перехода является основным рабочим режимом.

Схемы включения. Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен (как поданы питающие напряжения на его электроды, в цепь какого электрода включена нагрузка и источник входного сигнала).

В зависимости от того какой электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения биполярного транзистора (рис.3): схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК).

Определение схемы включения осуществляется по цепи переменного тока, т.е. какой электрод является общим для входа и выхода по цепи переменного тока.

Постоянные напряжения к электродам транзистора подводятся от внешних источников. Потенциал общей точки (общего электрода) для входной и выходной цепи принимают равным нулю. Напряжения на двух других электродах отсчитывают относительно точки нулевого потенциала, например, UЭБ или UКБ или UКЭ или UБЭ и т.д. Причём буква стоящая в индексе на втором месте указывает на схему включения.

Рис.3. Схемы включения биполярных транзисторов

Анализ схем включения показывает (см.рис.3), что входным током может быть или ток базы (схемы ОЭ и ОК) или ток эмиттера (схема ОБ). В цепь коллектора входной ток не подаётся.

Выходным током может быть или ток коллектора (схемы ОБ и ОЭ) или ток эмиттера (схема ОК). В цепь базы нагрузку для получения выходного тока не включают. Радиоэлементы, включенные в цепь базы, в этом случае выполняют другое назначение, а не роль нагрузки.



Один и тот же транзистор, включенный по разным схемам, обладает различными усилительными, частотными, температурными свойствами и имеет отличающиеся параметры.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях, их взаимным влиянием друг на друга.

На работу транзистора так же влияют форма входного сигнала (постоянный или переменный непрерывный или импульсный), амплитуда (малая или большая), частота (низкая, высокая, сверхвысокая). Поэтому в зависимости от характера напряжений или токов рассматривают работу транзистора на постоянном токе, малом переменном сигнале, большом переменном сигнале или в импульсном режиме.

Литература:

1. Жеребцов И.П. Основы электроники, с.59 …65.

2. Дыкин А.В., Овечкин Ю.А. Электронные и полупроводниковые приборы,

с. 273…280.

3. Бочаров Л.Н. Электронные приборы, с.98 … 114.








sitemap
sitemap