Тема 4. Компоненти електронних кіл

Біполярні транзистори – це напівпровідникові прилади з двома p-n – переходами, що взаємодіють, утвореними в кристалі напівпровідника, та трьома виводами. Назва приладу “біполярний” зумовлена тим, що робота транзистора ґрунтується на використанні носіїв зарядів обох знаків (електронів та дірок).

Структура біполярного транзистора складається з трьох областей електронної та діркової провідності, які чергуються. Залежно від послідовності розташування цих областей розрізняють біполярні тран­зистори типу n-p-n та типу p-n-p (рис. 3.6). Одна з крайніх областей транзистора називається емітером, середня область – базою, а інша крайня область – колектором; p-n – перехід з боку емітера називають емітерним переходом, а з боку колектора – колекторним.

Емітер, база та колектор відрізняються концентрацією носіїв зарядів та розмірами. В емітері концентрація носіїв зарядів є найбільшою, в базі – найменшою. Емітерний перехід відрізняється значно меншою площею поперечного перерізу, ніж колекторний. Ширина базової області становить одиниці мікрон.

Емітерний та колекторний переходи транзистора залежно від полярностей прикладених до них напруг можна зміщувати як в прямому, так і в зворотному напрямах. Залежно від напрямів вмикання p-n – переходів розрізняють такі режими роботи транзистора:

1) нормальний активний режим – емітерний перехід зміщений у прямому, а колекторний – у зворотному напрямі;

2) режим відтину – обидва переходи транзистора зміщені у зворотному напрямі;

3) режим насичення – обидва переходи транзистора зміщені у прямому напрямі;

4) інверсний активний режим – колекторний перехід зміщений у пря­мому, а емітерний – у зворотному напрямі.

Основним режимом роботи біполярного транзистора є нормальний активний режим. У цьому режимі транзистор успішно виконує функції керованого активного елемента, тобто може здійснювати підсилення, генерування та перетворення електричних сигналів.

а                                     б

Рис. 3.6.  Схемні позначення біполярних транзисторів:

типу n-р-n (а); типу р-n-р (б) та полярності зовнішніх напруг

 

На рис. 3.6 подано схемні позначення біполярних транзисторів та вказано полярності зовнішніх напруг, які забезпечують нормальний ак­тивний режим роботи транзисторів, а також показано додатні напрями струмів через зовнішні виводи транзисторів. Зауважимо, що абсолютне значення напруги, прикладеної до колекторного переходу, є більшим від абсолютного значення напруги, прикладеної до емітерного переходу.

Принцип роботи біполярного транзистора. Із структури транзисторів (рис. 3.7) видно, що, по суті, вони є двома напівпровідниковими діодами, які мають спільну базову область, через яку взаємодіють.

У нормальному активному режимі залежність струму від напруги на емітерному переході подібна до залежності струму від напруги звичайного діода, зміщеного прямо, а залежність струму від напруги на колекторному переході аналогічна залежності струму від напруги зворотно зміщеного діода. Проте наявність спільної базової області зумовлює те, що через неї емітерний та колекторний переходи взаємно впливають на роботу один одного. Розглянемо це на прикладі транзистора типу n-p-n, схема вмикання якого подана на рис. 3.7.

Рис. 3.7. До пояснення принципу біполярного транзистора (типу n-p-n)

За нульової напруги на емітерному переході (u_БЕ = 0) через колекторний перехід, який зміщений у зворотному напрямі, тече тепловий струм І_КБО.

Якщо прикласти до емітерного переходу пряму напругу u_БЕ,  через нього потече струм i_БЕ внаслідок інжекції електронів з емітера в базу та інжекції дірок з бази в емітер. Оскільки концентрація дірок в базі є нижчою, ніж в емітері, то цим процесом можна знехтувати. Ширина бази в біполярних транзисторах достатньо мала, так, що інжектовані електрони до­сягають колекторного переходу, не встигаючи рекомбінувати з дірками бази. Лише невелика частина (близько 1 %) електронів рекомбінує в базі, внаслідок чого виникає струм бази i_Б, який порівняно з іншими струмами транзистора є незначним. Наблизившись до колекторного переходу, електрони потрапляють під вплив сильного електричного поля зворотно зміщеного колекторного переходу, яке для них є прискорювальним. Тому вони втягуються в колекторний перехід і переходять в колекторну область. Відбувається так звана екстракція носіїв зарядів у колектор. Внаслідок цього колекторний струм iK збільшиться на величину i'K, зумовлену електронами, що надійшли в колекторну область.

Значення струму i'K буде дещо меншим від струму емітера, оскільки невелика частина електронів рекомбінувала в базі, тобто:

                                                                  ,                                                                (3.2)

де a – деякий коефіцієнт пропорційності, менший від одиниці (a=0,99...0,999), який називають коефіцієнтом передавання емітерного струму в нормальному активному режимі. Зауважимо, що коефіцієнт a не є величиною сталою, а змінюється зі зміною емітерного струму.

Отже, сумарний струм колектора дорівнюватиме

                                    і_K = I_KБО + aі_Е.                                             (3.3)

За великих емітерних струмів транзистора, для яких І_KБО << i_E, наближено приймають:

                                     і_{K  ≈} aі_E.                                                      (3.4)

Оскільки потік електронів, що рухаються з емітера в колектор, та відповідно емітерний струм в базі розгалужуються на дві частини, то можна записати, що

                                  і_Е = і_К + і_Б.                                                 (3.5)

Часто замість коефіцієнта a використовують коефіцієнт b, який показує, у скільки разів струм колектора більший від струму бази:

 

                       .                             (3.6)

Значення коефіцієнта b для промислових зразків транзисторів лежить у межах 50…300.

Якщо пряму напругу емітерного переходу збільшувати, відповідно зростатиме колекторний струм, тобто пряма напруга емітерного переходу у нормальному активному режимі роботи транзистора керує струмом колектора. Власне на цьому ефекті ґрунтується підсилення електричних сигналів за допомогою транзисторів.

Якщо до обох переходів транзистора прикладено зворотну напругу (режим відтинання), через виводи транзистора протікатимуть лише незначні зворотні струми переходів, близькі до нуля. Транзистор у такому разі вважають закритим.

У разі прикладення до обох переходів прямих напруг настає режим насичення, в якому виникне інжекція електронів з колектора у базу, спрямована назустріч потоку електронів, що рухаються з емітера. В результаті сумарний струм колектора дещо понизиться, а струм бази  зросте.

Статичні ВАХ транзистора. Із викладеного вище випливає, що зовнішні струми біполярного транзистора взаємозв’язані співвідношенням (3.5): і_Е = і_К + і_Б, а напруги між зовнішніми виводами, як бачимо із рис. 3.6, задовольняють умову:

                                  .                                  (3.7)

Розглядаючи біполярний транзистор як триполюсник, можемо стверджувати, що режим роботи транзистора повністю визначають дві будь-які напруги між його зовнішніми виводами та два будь-які струми, що течуть через його зовнішні виводи. Звідси висновок: статичні ВАХ транзистора повинні описувати взаємозв’язок двох довільних напруг між його зовнішніми виводами та двох довільних струмів через його зовнішні виводи.

Із трьох зовнішніх напруг u_КЕ, u_БЕ, u_КБ  та трьох зовнішніх струмів і_Е, і_К, і_Б можна вибрати такі пари:

а) напруг: u_БЕ, u_КЕ;, u_БЕ, u_КБ; u_БК, u_КЕ;

б) струмів: і_Е, і_К; і_Е, і_Б; і_К, і_Б.

Отже, оскільки для кожної пари напруг можна вибрати три різні пари струмів, то існує дев’ять можливих варіантів статичних ВАХ біполярних транзисторів. Звичайно у довідковій літературі подають такі варіанти ВАХ, які найзручніше отримувати експериментально. Такими ВАХ є ті, що описують взаємозв’язок між парою напруг u_БЕ, u_КЕ та парою струмів і_К, і_Б.

 

Рис. 3.8. Схема експериментального зняття ВАХ біполярного транзистора типу n-p-n

Їх часто називають характеристиками транзистора для схеми зі спільним емітером, оскільки для експериментального зняття ВАХ використовують схему, де емітер є спільним виводом для базового та колекторного кіл (див. рис. 3.8).

Графічно ВАХ подають у вигляді двох сімей характеристик, типовий вигляд яких зображено на рис. 3.9.  Характеристики, зображені на рис. 3.9, а, називають вхідними, а зображені на рис. 3.9, б – вихідними, оскільки вхідну керуючу напругу прикладають між базою та емітером, а колекторний струм є вихідним струмом транзистора.

Рис. 3.9.. Статичні ВАХ біполярного транзистора типу n-p-n для схеми зі спільним емітером: вхідні (а) та вихідні (б)

 

Кожна вхідна статична ВАХ транзистора відображає залежність вхідного базового струму і_Б від вхідної напруги U_БЕ за деякого незмінного значення напруги U_КЕ, тобто і_Б = f_вх(u_БЕ) при u_КЕ = const. У разі збільшення напруги u_КЕ  вхідні характеристики зміщуються праворуч внаслідок того, що зміщений у зворотному напрямі колекторний p-n – перехід розширюється, а базова область звужується, і кількість носіїв зарядів, що рекомбінують у базі, і відповідно струм бази зменшуються. Проте вплив напруги U_КЕ на струм і_Б незначний, тому вхідні характеристики розміщені на графіку дуже щільно і часто в довідниках подають лише одну усереднену вхідну характеристику  і_Б = f_вх(u_БЕ).

Кожна вихідна ВАХ відображає залежність вихідного колекторного струму і_К  від напруги u_КЕ за деякого фіксованого значення базового  струму і_Б, тобто і_К = f_вих(u_КЕ) при і_Б = const. У разі збільшення базового струму вихідні характеристики зміщуються вгору, а за фіксованого значення ба­зового струму і_Б колекторний струм і_К дещо зростає із збільшенням напруги u_КЕ, що випливає із описаного вище принципу дії транзистора.

Зауважимо, що аналогічний вигляд мають статичні ВАХ транзисторів типу p-n-p.

Зауважимо, що ВАХ транзистора істотно залежать від температури навколишнього середовища: зі збільшенням температури вхідні характе­ристики зміщуються ліворуч, а вихідні – вгору, що еквівалентно збільшенню струмів транзистора за незмінних зовнішніх напруг.

Статичні ВАХ найчастіше використовують для визначення статичних робочих точок транзисторів під час аналізу електронних схем у режимі постійного струму. Для розв’язання таких задач застосовують відповідні графоаналітичні методи. Крім того, на підставі статичних ВАХ розраховують низькочас­тотні малосигнальні параметри транзисторів у робочій точці, про що йтиметься далі.