Схема, принцип работы, характеристики биполярных транзисторов

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

• эмиттер;
• очень тонкая база, изготовленная из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
• коллектор — площадь больше площади эмиттера.

К каждому участку припаяны металлические контакты, которые служат для подключения устройства к электрической цепи.

Электропроводности коллектора и эмиттера равны и противоположны электропроводностям базы. По типу проводимости областей различают устройства pnp или npn. Устройства несимметричны из-за разницы в площади контакта — между эмиттером и базой она значительно меньше, чем между базой и коллектором. Поэтому невозможно переключить К и Е сменой полярности.

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два соединения:

• электронная дырка между эмиттером и базой — эмиттером;
• между коллектором и основанием — коллектор.

Расстояние между переходами небольшое. Для высокочастотных частей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных — до 50 мкм. Для активации устройства на него подается напряжение от стороннего ИП. Принцип работы биполярных транзисторов с pnp и npn переходами одинаков. Соединения могут работать в прямом и обратном направлении, что определяется полярностью приложенного напряжения.

Режимы работы биполярных транзисторов

Режим отсечки

Переходы закрыты, устройство не работает. Этот режим достигается путем обратной связи с внешними источниками. Через оба перехода протекают малые обратные токи коллектора и эмиттера. Часто предполагается, что устройство в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Является средним. Переход ВС открыт, а база эмиттера закрыта. Ток базы в этом случае много меньше токов Е и К. В этом случае усилительная характеристика биполярного транзистора отсутствует. Этот режим мало востребован.

Режим насыщения

Устройство полностью открыто. Оба перехода подключаются к источникам питания в прямом направлении. Это снижает потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают протекать токи, которые называются «токами насыщения».

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от розетки, в которую подается источник питания, существует 3 схемы включения устройств.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов дает наибольший прирост вольт-амперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой популярной. Недостатком этого варианта является ухудшение коэффициента усиления устройства при увеличении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется выбирать другую схему.

С общей базой

Используется для высокочастотной работы. Уровень шума снижен, усиление не очень высокое. Каскады блоков, собранных по этой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостатком альтернативы является необходимость двух источников питания.

С общим коллектором

Этот вариант характеризуется передачей входного сигнала обратно на вход, что значительно снижает уровень. Коэффициент усиления по току высокий, коэффициент усиления по напряжению мал, что является минусом для данного метода. Такая компоновка приемлема для каскадных устройств в тех случаях, когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы транзистор включен так, что эмиттерный переход смещен (открыт), а коллекторный переход перевернут. Для точности рассмотрим npn-транзистор, все рассуждения повторяются точно так же для случая pnp-транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, помимо замены всех напряжений с противоположными знаками.

В npn-транзисторе электроны, большинство носителей тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база в базовую область. Часть этих электронов рекомбинирует с большинством носителей заряда в базе (дырках), часть диффундирует обратно к эмиттеру.

Однако, поскольку база сделана очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектируемых из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле коллекторного перехода с обратным смещением захватывает электроны (помните, что они являются неосновными носителями в базе, поэтому переход для них открыт) и переносит их в коллектор. Таким образом, ток коллектора практически равен току эмиттера, за исключением небольших рекомбинационных потерь в базе, формирующих ток базы (Ie = Ib + Ik).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Числовое значение коэффициента α 0,9 — 0,999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжений коллектор-база и база-эмиттер.

Биполярный транзистор представляет собой электрическое преобразовательное полупроводниковое устройство с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенное для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполняется на пластине кремния, германия или другого полупроводника, где выполнены три области разного типа электропроводности.

Средняя область называется базой, одна из крайних областей — эмиттерной, другая — коллекторной. Следовательно, транзистор имеет два p-n перехода: эмиттерный переход между базой и эмиттером и коллекторный переход между базой и коллектором.

Базовая область должна быть очень тонкой, намного тоньше областей эмиттера и коллектора (на рисунке это показано непропорционально). От этого зависит условие исправной работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на переходах.

При работе в активном режиме напряжение прямое на эмиттерном переходе и обратное на коллекторном переходе. В режиме отсечки на оба перехода подается обратное напряжение. Если на эти переходы подать прямое напряжение, транзистор будет работать в режиме насыщения.

Читайте также: Кто нам открыл электричество: когда оно появилось в России, из чего состояло — история открытия

Типы биполярных транзисторов.

Физические процессы

Возьмем npn-транзистор в режиме холостого хода, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений Е1 и Е2. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном — обратное. Следовательно, сопротивление эмиттерного перехода мало, и для получения нормального тока достаточно напряжения Е1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода высокое и напряжение Е2 обычно составляет десятки вольт.

Соответственно, как и прежде, темные маленькие кружки со стрелками — электроны, красные — дырки, большие кружки — положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода является прямоточной характеристикой полупроводникового диода, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода аналогична вольт-амперной характеристике обратного диода.

Принцип работы транзистора следующий. Прямое напряжение эмиттерного перехода ub-e влияет на эмиттерный и коллекторный токи, и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора лишь незначительно меньше, чем изменения тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т.е входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы показаны в таблице ниже.

Таблица свойств биполярных транзисторов.

С увеличением прямого входного напряжения иб-э потенциальный барьер в эмиттерном переходе уменьшается и, следовательно, ток через этот переход увеличивается, т е увеличивается. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и за счет диффузии через базу проникают в коллекторный переход, увеличивая коллекторный ток. Поскольку коллекторный переход работает с обратным напряжением, в этом переходе возникают объемные заряды (большие кружки на рисунке). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (вытягиванию) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т.е они втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Схема работы и устройство биполярного транзистора.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большая часть электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достичь коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует с дырками в базе. Это приводит к базовому току.

Ток заземления бесполезен и даже вреден. Желательно, чтобы его было как можно меньше. Поэтому базовая область сделана очень тонкой и концентрация дырок в ней уменьшена. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками, и снова базовый ток будет пренебрежимо мал.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что ток в этом переходе отсутствует. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, так как основные носители заряда отходят от этого перехода, и на обеих границах образуются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный движением неосновных носителей навстречу друг другу.

Однако если под действием входного напряжения возникает значительный эмиттерный ток, то со стороны эмиттера в базу инжектируются электроны, являющиеся для этой области неосновными носителями. Они достигают коллекторного перехода, не успев рекомбинироваться с отверстиями по мере прохождения базы.

Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов попадает на коллектор, тем ниже сопротивление, поэтому увеличивается ток коллектора. Аналогичные явления происходят и в транзисторе p-n-p-типа, необходимо только поменять местами электроны и дырки, а также полярность истоков Е1 и Е2.

Как работает транзистор.

Помимо рассмотренных процессов, существует ряд других явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы.При увеличении напряжения на коллекторном переходе в ней происходит лавинное размножение заряда, в основном за счет ударной ионизации.

Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрический пробой, который при увеличении тока может перейти в тепловой пробой. Все происходит так же, как и для диодов, но в транзисторе со слишком большим коллекторным током может произойти тепловой пробой без предварительного электрического пробоя.

Термический пробой может произойти без повышения напряжения коллектора до напряжения пробоя. При изменении напряжений на переходах коллектора и эмиттера изменяется толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

Особенно важно обращать внимание на напряжение коллектор-база, так как с увеличением толщины коллектора толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть замыкающий эффект (так называемый «прокол» базы) — зацепление коллекторного соединения с эмиттерным. В этом случае пропадает базовая область и транзистор перестает нормально работать.

С увеличением инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т.е увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. Но с уменьшением инжекции уменьшается концентрация и суммарный заряд этих же носителей в базе, и этот процесс получил название резорбции неосновных носителей заряда в базе.

И, наконец, правило: при использовании транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если цепь коллектора не находится под напряжением. Также необходимо включить подачу питания на базовую цепь, а затем на коллекторную, но не наоборот.

Схема устройства транзистора.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся областей полупроводника с разным типом проводимости (ррр или ррр) с выходом из каждой области. Рассмотрим работу транзистора типа npn. Чередующиеся области образуют два pn-перехода база-эмиттер (BE) и база-коллектор (BC).

На переход ВЕ подается прямое напряжение ЭБЭ, под действием которого электроны в n-области эмиттера устремляются к базе и создают эмиттерный ток. Концентрация примесей в эмиттере во много раз больше, чем в базе, а сама база максимально тонкая. Поэтому лишь незначительная часть (1–5 %) электронов, испускаемых эмиттером, рекомбинирует с базовыми дырками.

Большая часть электронов, миновав узкую (доли микрона) область базы, «собирается» напряжением коллектора Ек, противоположным напряжению ВС-перехода, и устремляется к плюсу внешнего источника Ек , создавая коллекторный ток, протекающий через нагрузку Rн. Электроны, рекомбинировавшие с базовыми дырками, составляют базовый ток IB.

Таким образом, ток коллектора определяется током эмиттера за вычетом тока базы. Точно так же работает транзистор типа p-n-p, отличающийся только тем, что эмиттер испускает на базу не электроны, а дырки, поэтому полярности подаваемых на него прямого UEB и обратного Ek-напряжения должны быть противоположны p-pp- типа транзистор.

На условном обозначении транзисторов стрелка расположена на эмиттере и всегда направлена ​​из p-области в n-область. На рис. 1.8, б показано условное обозначение транзистора прп, а на рис. 1.9, б — рпр. Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор выполнен в самостоятельном корпусе, а отсутствие кружка означает, что транзистор выполнен интегрированным с другими элементами на полупроводниковой плате интегральной схемы.

Вывод эмиттера удобно рассматривать как указание полярности прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, которое «включает» (как выпрямительный диод) транзистор. При использовании транзистора в электронных устройствах необходимы два вывода для входного сигнала и два для вывода.

Поскольку у транзистора всего три вывода, один из них должен быть общим и принадлежать одновременно и входной, и выходной цепям. Возможны три варианта включения транзисторов — с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Переход на биполярном транзисторе.

Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?

• Материал, из которого он сделан, — арсенид галлия или кремний.
• Частота. Это может быть — сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя — (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
• Максимальная потеря мощности.