Биполярный транзистор КТ3107

Введение.

Историческая справка. Объем исследований по физике твердого тела нарастал с 1930-х годов, а в 1948 было сообщено об изобретении транзистора. За созданием транзистора последовал необычайный расцвет науки и техники. Был дан толчок исследованиям в области выращивания кристаллов, диффузии в твердом теле, физики поверхности и во многих других областях. Были разработаны разные типы транзисторов, среди которых можно назвать точечный германиевый и кремниевый с выращенными переходами, полевой транзистор (ПТ) и транзистор со структурой металл - оксид - полупроводник (МОП-транзистор). Были созданы также устройства на основе интерметаллических соединений элементов третьего и пятого столбцов периодической системы Менделеева; примером может служить арсенид галлия. Широко применяются такие разновидности транзистора, как триодные тиристоры, денисторы, синисторы, которые играют важную роль в технике коммутации и регулировании сильных токов.

В 1954 было произведено более 1 млн. транзисторов. Сейчас эту цифру невозможно даже указать. Первоначально транзисторы стоили очень дорого. Сегодня транзисторные устройства для обработки сигнала можно купить дешевле.

Без транзисторов не обходится не одно предприятие, которое выпускает электронику. На транзисторах основана вся современная электроника. Их широко применяют в теле, радио и компьютерных аппаратурах.

Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы с двумя p-n-переходами. В простейшем случае транзисторы состоят из кристалла германия и двух клем (эмиттер и коллектор), касающихся поверхности кристалла на расстоянии 20-50 микронов друг от друга. Каждая клема образует с кристаллом обычный выпрямительный контакт с проводимостью от клемы к кристаллу. Если между эмиттером и базой подать прямое смещение, а между коллектором и базой - обратное, то оказывается, что величина тока коллектора находится в прямой зависимости от величины тока эмиттера.

Плоскостной транзистор состоит из кристалла полупроводника (германия, кремния, арсенида, индия, астата, и др.), имеющего три слоя различной проводимости p и n. Проводимость типа p создаётся избыточными носителями положительных зарядов, так называемыми "дырками", образующиеся в случае недостатка электронов в слое. В слое типа n проводимость осуществляется избыточными электронами.

Рис 1-1. p-n-p транзистор

Таким образом, возможны два типа плоскостных транзисторов: p-n-p, в котором два слоя типа p (например, германия) разделены слоем n, и n-p-n, в котором два слоя типа n разделены слоем типа p.

Из транзисторов можно составить схемы различных назначений. Например, можно собрать усилители тока, мощности, усилители звуковых частот, декодеры аудио, видео, теле-радио сигналов, а также простейшие логические схемы, основанные на принципе и-или-не.

Транзисторы КТ3107 - кремниевые эпитаксиально-планарные p-n-p универсальные маломощные.

Предназначены для работы в переключающих схемах, в схемах усилителей, генераторов частоты.

Транзисторы помещаются в герметическую заводскую упаковку.

Масса, которого не более 0,3 грамма.

1. Технология изготовления биполярного транзистора КТ3107.

Эпитаксиальная технология позволяет расширить рабочий диапазон транзисторов, особенно ключевых, за счет уменьшения последовательного сопротивления коллектора. Она основана на выращивании очень тонкого слоя полупроводника (достаточного для формирования активных элементов) поверх исходного слоя того же самого материала. Этот эпитаксиальный слой представляет собой продолжение исходной кристаллической структуры, но с уровнем легирования, необходимым для работы транзистора. Подложку сильно легируют (до содержания легирующей примеси порядка 0,1%), тщательно полируют и затем промывают, поскольку дефекты на поверхности подложки сказываются на совершенстве структуры эпитаксиального слоя.

Выращивание совершенного эпитаксиального слоя - очень сложный процесс, требующий тщательного выбора материалов и поддержания исключительной общей чистоты в системе. Слой выращивается методом химического осаждения из паровой фазы, обычно из паров тетрахлорида кремния SiCl₄. При этом используется водород, который восстанавливает SiCl₄ до чистого кремния, осаждающегося затем на подложке при температуре около 1200 ⁰С. Скорость роста эпитаксиального слоя - порядка 1 мкм/мин, но ее можно регулировать. Для легирования слоя в рабочую камеру вводят мышьяк (примесь n-типа), фосфор (n-тип) или бор (p-тип). Обычно выращивают только один слой, но в некоторых случаях, например при изготовлении многослойных тиристоров, получают два слоя - один n, а другой p-типа. Толщина эпитаксиального слоя составляет от нескольких микрометров для сверхвысокочастотных транзисторов до 100 мкм для высоковольтных тиристоров. Эпитаксиальный материал дает возможность изготавливать транзисторы для усилителей и электронных ключей.

В противоположность технологии мезаструктур, при которой диффузия происходит равномерно по всей поверхности полупроводника, планарная технология требует, чтобы диффузия была локализована. Для остальной части поверхности необходима маска. Идеальным материалом для маски является диоксид кремния, который можно наращивать поверх кремния. Так, сначала в атмосфере влажного кислорода при 1100 ⁰С выращивают слой диоксида толщиной около 1000 нм (это занимает примерно час с четвертью). На выращенный слой наносят фоторезист, который может быть сенситизирован для проявления ультрафиолетовым светом. На фоторезист накладывают маску с контурами базовых областей, в которых должна проводиться диффузия (их тысячи на одной подложке), и экспонируют фоторезист под освещением. На участках, не закрытых непрозрачной маской, фоторезист затвердевает под действием света. Теперь, когда фоторезист проявлен, его легко удалить растворителем с тех мест, где он не затвердел, и на этих местах откроется незащищенный диоксид кремния. Для подготовки подложки к диффузии незащищенный диоксид вытравливают и пластинку промывают. (Здесь речь идет об «отрицательном» фоторезисте. Существует также «положительный» фоторезист, который, наоборот, после освещения легко растворяется.) Диффузию проводят как двухстадийный процесс: сначала некоторое количество легирующей примеси (бора в случае n-p-n-транзисторов) вводят в базовый поверхностный слой, а затем - на нужную глубину. Первую стадию можно осуществлять разными способами. В наиболее распространенном варианте пропускают кислород через жидкий трихлорид бора; диффузант переносится газом к поверхности и осаждается под тонким слоем борсодержащего стекла и в самом этом слое. После такой начальной диффузии стекло удаляют и вводят бор на нужную глубину, в результате чего получается коллекторный p-n-переход в эпитаксиальном слое n-типа. Далее выполняют эмиттерную диффузию. Поверх базового слоя наращивают диоксид, и в нем прорезают окно, через которое за одну стадию диффузией вводят примесь (обычно фосфор), формируя тем самым эмиттер. Степень легирования эмиттера по крайней мере в 100 раз больше, чем степень легирования базы, что необходимо для обеспечения высокой эффективности эмиттера.

В обоих диффузионных процессах, упомянутых выше, переходы перемещаются как по вертикали, так и в боковом направлении под диоксидом кремния, так что они защищены от воздействия окружающей среды. Многие устройства герметизируют поверхностным слоем нитрида кремния толщиной около 200 нм. Нитрид кремния непроницаем для щелочных металлов, таких, как натрий и калий, которые способны проникать сквозь диоксид кремния и «отравлять» поверхности в переходах и поблизости от них. Далее с использованием методов фотолитографии на поверхность устройства напыляют металл контакта (алюминий или золото), отделенный от кремния другим металлом (например, вольфрамом, платиной или хромом), впекают его в области базового и эмиттерного контактов, а излишек удаляют. Затем полупроводниковую пластинку путем распиливания или разламывания после надрезания разделяют на отдельные микрокристаллы, которые прикрепляются к позолоченному кристаллодержателю или выводной рамке (чаще всего эвтектическим припоем кремний - золото). С выводами корпуса эмиттер и базу соединяют золотыми проволочками. Транзистор герметизируют в металлическом корпусе или путем заделки в пластик (дешевле).

Первоначально контакты делали из алюминия, но оказалось, что алюминий образует с золотом хрупкое соединение, обладающее высоким сопротивлением. Поэтому проволочные контакты из алюминиевой или золотой проволочки стали отделять от кремния другим металлом - вольфрамом, платиной или хромом.

Граничная частота транзисторов общего назначения составляет несколько сот мегагерц - примерно столько же, сколько было у ранних высокочастотных германиевых транзисторов. В настоящее время для высокочастотных типов эта граница превышает 10 000 МГц. Мощные транзисторы могут работать при мощности 200 Вт и более (в зависимости от типа корпуса), и нередки коллекторные напряжения в несколько сот вольт. Используются кремниевые пластинки размером несколько сантиметров, причем на одной такой пластинке формируется не менее 500 тыс. транзисторов.

Транзисторные структуры могут быть разного вида. Транзисторы для низкочастотных схем с низким уровнем сигнала нередко имеют точечно-кольцевую конфигурацию (точка - эмиттер, кольцо - база), которая, однако, не нашла широкого применения в тех случаях, когда предъявляются требования высокой частоты и большой мощности. В таких случаях и в транзисторах многих низкочастотных типов чаще всего применяется встречно-гребенчатая структура. Это как бы два гребешка с широкими промежутками между зубцами, расположенные на поверхности так, что зубцы одного входят между зубцами другого. Один из них является эмиттером, а другой - базой. База всегда полностью охватывает эмиттер. Основная часть гребешка служит токовой шиной, равномерно распределяющей ток, так что все эмиттерные зубцы имеют одинаковое смещение и дают одинаковый ток. Это очень важно для сильноточных приборов, в которых локальная неоднородность смещения может вследствие местного нарастания тока привести к точечному перегреву. В нормальном рабочем режиме температура перехода в транзисторах должна быть ниже 125⁰С (при ~150⁰С параметры прибора начинают быстро изменяться, и работа схемы нарушается), а потому в мощных транзисторах необходимо добиваться равномерного распределения тока по всей их площади. Сильноточные устройства часто разделяют на секции (группы зубцов, или малых транзисторов), соединенные между собой токовыми шинами с малым сопротивлением.

В транзисторах для диапазона сверхвысоких частот - другие трудности. Их максимальная рабочая частота ограничивается временем задержки, которое требуется для зарядки эмиттерного и коллекторного переходов (поскольку заряд переходов зависит от напряжения, они ведут себя как конденсаторы). Это время можно свести к минимуму, уменьшив до предела площадь эмиттера. Поскольку эффективно действует лишь периферийная часть эмиттера, зубцы делают очень узкими; зато число их увеличивают так, чтобы получить нужный ток. Ширина зубца типичного высокочастотного эмиттера составляет 1-2 мкм, и таковы же промежутки между зубцами. База обычно имеет толщину 0,1-0,2 мкм. На частотах выше 2000 МГц время переноса заряда через базу уже не является определяющей характеристикой - существенно также время переноса через область коллектора; однако этот параметр можно уменьшить только путем уменьшения внешнего напряжения на коллекторе.

2. Анализ процессов в биполярном транзисторе

Рассмотрим как работает транзистор р-n-p типа в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питаю-щих напряжений E₁ и E₂ (рис. 4-1). Полярность их такова, что на эмит-терном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе - обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормаль-ного тока в этом переходе достаточно напряжения Е₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е₂ обычно составляет единицы или десятки вольт. Из рис ( 4-1) видно, что напряжение между электродами транзистора связаны простой зависимостью:

(4.1)

При подключении к электродам транзистора напряжений (рис. 4-1)

эмитерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный -в обратном направлении.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое смешение эмиттерного перехода, т. е. участка база-эмиттер (), существенно влияет на ток коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение , т. е. входное напря-жение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с по-мощью транзистора основано именно на этом явлении.

Рис 4-1. Движение электронов и дырок в транзисторе р-n-р типа.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом.

При увеличении прямого входного напряжения понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток эмиттера . Дырки инжектируются из эмиттера в базу и создают вблизи p-n перехода электрический заряд, который в течении времени (3-5)?з компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи источника. Так как коллекторный переход подключён в обратном смещении то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «-» . Между ними возникает электрическое поле.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация электронов в ней невелика, то большинство, дырок пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с электронами базы и достигают коллекторного перехода. Лишь небольшая часть дырок рекомбинирует в базе с электронами. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число электронов в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбина-ции каждую секунду сколько электронов исчезает, столько же новых электронов возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к минусу источника E₁ такое же число дырок. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много дырок. Если некоторое число инжектированных в базу дырок из эмиттера не доходит до коллектора, а остается в базе. Рекомбинируя с электронами, то точно такое же число дырок должно уходить из базы в виде тока . Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

(золотое правило транзистора) (4.2)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно составляет проценты тока эмиттера, т. е. и, следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера. т. е. можно считать . Именно для того, чтобы ток был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию электронов. Тогда меньшее число дырок будет рекомбинировать в базе с электронами.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация электронов в ней была велика, то большая часть дырок эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с электронами и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет дырок эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе почти нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обеденные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный пере-мещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из р-области и дырок из n-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются дырки, кото-рые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая реком-бинировать с электронами при диффузии через базу, они доходят до коллектор-ного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше дырок приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соот-ветственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектирован-ных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллектор-ного перехода,т.е.ток коллектора .

Данное одному из электродов транзистора название «эмиттер» подчеркивает, что происходит инжекция дырок из эмиттера в базу.

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область тран-зистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Кол-лектором называют область, назначением которой является экстракция носи-телей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный пе-реход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо боль-ше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют сим-метричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового токов:

(4.3)

Важным свойством транзистора является приблизительно линейная зависи-мость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются приблизи-тельно пропорционально друг Другу. Пусть, для примера, =10мА, = 9,5 мА, = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА. то остальные токи возрастут также на 20%: = 0,5 + 0.1 = 0,6 мА и = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т.е. 12 мА=11,4 мА + 0,6 мА.

А для приращения т оков справедливо равен-ство (4.3) т .е.

2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа р-п-p.

Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая показана на рис. 4-2 для тран-зистора типа р-n-p.

Рис. 4-2. Потенциальная диаграмма транзистора

Эту диаграмму удобно использовать для создания механи-ческой модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение , тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность по-тенциалов, ускоряющую движение дырок. В механической модели шарики, аналогич-ные дыркам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем уско-ренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах при-ходится учитывать еще ряд явлений.

Существенное влияние на работу транзисторов оказывает сопротивление базы , т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы . Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер -- коллек-тор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока , ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы (его называют попе-речным) достигает сотен Ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение , между выводами базы и эмиттера, так как часть подво-димого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 4-3. На этой схеме -- сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение у маломощных транзисторов достигает десятков Ом. Это вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов больше и соответственно меньше. При-ближенно определяется формулой (в Омах)

(4.4)

где ток , выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоОм. В него вхо-дит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис (4-3) является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов.

r эо r ко

r Бо

E 1 E 2

Рис (4-3) Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда, являющееся главным образом результа-том ударной ионизации. Это явление и туннельный, эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой про-бой перехода.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопро-вождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор - база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накоп-ление неосновных носителей заряда в базе. т. е. увеличение концентрации и сум-марного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием носителей заряда в базе.

В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзи-стора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.

Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управ-ляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток_, который можно назвать управляемым коллекторным током, так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

(4.5)

где - коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора: он может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе к 1. Через коллекторный переход, всегда проходит еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток (рис. 4-4), называемый начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

(4.6)

Во многих случаях , и можно считать, что . Если надо измерить, то это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при ток .

Преобразуем выражение (4.6) так, чтобы выразить за-висимость тока от тока базы Заменим , суммой: где: - ток коллектора

-ток базы

-ток эмиттера

Рис. 4-4. Токи в транзисторе

Решим уравнение относительно .

Тогда получим:

Обозначим:

и

и напишем окончательное выражение

(4.7)

Здесь является коэффициентом передачи тока базы и составляет десятки единиц. Например, если = 0,95, то

а если коэффициент = 0,99, т. е. увеличился на 0,04, то

т. е. увеличивается в 5 с лишним раз!

Таким образом, незначительные изменения приводят к большим изме-нениям . Коэффициент так же, как и , относится к важным параметрам транзистора. Если известен то можно всегда определить по формуле

(4.8)

Ток называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если , т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при получаем . Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора .Ток , и, зная, что , нетрудно найти . А так как , то

(4.9)

Значительный ток объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напря-жения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения , ток резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что если , не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (если в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения , действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток , и равный ему ток , на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разры-вать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сна-чала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток , то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разрыве провода базы.

3. Статические характеристики биполярного транзистора.

Схема с общей базой

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транкзистора: общей базой (ОБ) с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

r эо r ко

r Бо

E 1 E 2

Рис. 5

Входные характеристики транзисторов в схеме с общей базой при определяются зави-симостью (5):

(5)

При большом обратном напряжении коллектора () ток мало зависит от коллекторного напряжения. На рис. 5-1,а по-казаны реальные входные характеристики кремневого транзистора. Они соответствуют теоретической зависимости (5.1), подтверждается и вывод о слабом влиянии коллекторного напряжения на ток эмиттера.

Рис 5-1

Входная статическая характеристика при U_КБ = 0 (ну-левая) подобна обычной характеристике полупроводникового диода, включенного в прямом направлении. При подаче отри-цательного коллекторного напряжения входная характеристика смещается влево. Это свидетельствует о наличии в транзис-торе внутренней обратной связи. Обратная связь возникает в основном из-за сопротивления базы. В схеме с ОБ сопротив-ление базы является общим для входной и выходной цепей.

При подаче или увеличении коллекторного напряжения по-является или увеличивается I_КБo. Кроме этого уменьшается Iэ.рек, так как при увеличении коллекторного напряжения происходит расширение коллекторного перехода и ширина базы уменьшается. Поэтому напряжение Uэб, приложенное к эмит-теру, при увеличении Uкб возрастает, что и объясня-ет увеличение тока эмиттера и смещение влево входной стати-ческой характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Выходные, или коллекторные, статические характеристики представляют собой зависимости Ik = f(Uкб) при Iэ=const. Несмотря на то, что напряжение на коллекторе для транзистора p-n-р отрицательно, характеристики для удобст-ва принято изображать в положительных осях координат. Ну-левая выходная характеристика (I_Э = 0) является обычной характеристикой диода, включенного в обратном направлении. Увеличение тока эмиттера ведет к сдвигу выходной характе-ристики.

Как известно, при появлении тока эмиттера ток коллек-тора увеличивается на величину I_K = ?Iэ ~Iэ. Ток I_K можно рассматривать как искусственно созданный допол-нительный ток неосновных носителей коллекторного перехода.

Поэтому на основании формулы (5.1), где I₀ = Ik, мож-но утверждать, что любая выходная характеристика транзис-тора с (ОБ) представляет собой ВАХ полупроводникового диода, смещенную по оси обратного тока на величину Iк.

(5.1)

Начальная область входных характеристик, построенная в соот-ветствии с теоретической зависимостью (5.1), показана на рис.(5-1 а) крупным масштабом (в окружности). Отмечены токи I₁₁ и I₁₂, а так-же эмиттерный ток закрытого транзистора.

Входные характеристики кремниевого транзистора показаны на pиc. 5-1,б. Они смещены от нуля в сторону прямых напряжений; как и у кремниевого диода, смещение равно 0,6--0,7 В. По отношению к входным характеристикам германиевого транзистора смещение со-ставляет 0,4 В.

Выходные характеристики.

Теоретические выходные характеристи-ки транзистора в схеме с общей базой при I_Э=const опре-деляются зависимостью (5.2):

(5.2)

Они представлены на рис. 5-2,а. Вправо по горизонтальной оси принято откладывать рабочее, т. е. обратное, напряжение коллектора (отрицательное для транзисторов типа р-n-р и положительное для транзисторов типа n-р-n). Значения протекающего при этом тока коллектора откладывают по вертикальной оси вверх. Такой выбор осей координат выгоден тем, что область характеристик, соответствую-щая рабочим режимам, располагается при этом в первом квадранте, что удобно для расчетов.

Если ток эмиттера равен нулю, то зависимостьпредстав-ляет собой характеристику электронно-дырочного перехода: в цепи коллектора протекает небольшой собственный обратный ток I_Ко.

При прямом напряжении коллек-тора ток изменяет направление и резко возрастает -- открывается кол-лекторный переход (в целях наглядности на рис. 5-2 для положитель-ных напряжений взят более крупный масштаб).

Рис 5-2

Если же в цепи эмиттера создан некоторый ток I_э, то уже при ну-левом напряжении коллектора в его цепи в соответствии протекает ток I_к=I'_э обусловленный инжекцией дырок из эмиттера. Поскольку этот ток вызывается градиентом концентрации дырок в базе, для его поддержания коллекторного напряжения не требуется. Рис 5-3

При подаче на коллектор обратного напряжения ток его несколько возрастает за счет появления собственного тока коллекторного пере-хода I_КБ0 и некоторого увеличения коэффициента переноса v, вызван-ного уменьшением толщины базы.

При подаче на коллектор прямого напряжения появляется прямой ток коллекторного перехода. Так как он течет навстречу току инжекции I_э, то результирующий ток в цепи коллектора с ростом прямого напряжения до величины U_K0 быстро уменьшается до нуля, затем при дальней-шем повышении прямого напряжения коллектора приобретает обратное направление и начинает быстро возрастать.

Если увеличить ток эмиттера до зна-чения , то характеристика сместится пропорционально вверх на величину

На рис. 5-2,б представлены реаль-ные выходные характеристики транзи-стора КТ3107, они имеют такой же вид, как и теоретические, с учетом поправок.

Коэффициент передачи тока эмиттера. Как показывает опыт, коэф-фициент передачи тока зависит от величины тока эмиттера (рис. 5-)

С ростом тока эмиттера увеличи-вается напряженность внутреннего поля базы, движение дырок на коллектор становится более направленным, в результате уменьшают-ся рекомбинационные потери на поверхности базы, возрастает коэф-фициент переноса , а следовательно, и . При дальнейшем увеличении тока эмиттера снижается коэффициент инжекции и растут потери на объемную рекомбинацию, поэтому коэффициент передачи тока на-чинает уменьшаться.

В целом зависимость коэффициента передачи тока от тока эмит-тера в маломощных транзисторах незначительна, в чем можно убедить-ся, обратив внимание на масштаб по вертикальной оси рис.(5-3).

В транзисторах, работающих при высокой плотности тока, наблю-дается значительное падение напряжения вдоль базы, обусловленное током базы; в результате напряжение в точках эмиттерного перехода, удаленных от вывода базы, оказывается заметно меньшим, чем в близ-лежащих. Поэтому эмиттерный ток концентрируется по периметру эмиттера ближе к выводу базы, эффективная площадь эмиттера полу-чается меньше, чем при равномерной инжекции, и коэффициент быст-ро надает с ростом тока эмиттера.

Для ослабления указанного явления применяют электроды, имеющие высокое отношение длины периметра к площади: кольцевые и гребенчатые.

Схема с общим эмиттером

Ранее были рассмотрены статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, когда общая точка входной и вы-ходной цепей находится на базовом электроде. Другой распростра-ненной схемой включения транзистора яв-ляется схема с общим эмиттером, в кото-рой общая точка входной и выходной це-пей соединена (рис. 5-4).

Входным напряжением в схеме с общим эмиттером является напряжение базы измеряемое относительно эмиттерного элек-трода. Для того чтобы эмиттерный пере-ход был открыт, напряжение базы долж-но быть отрицательным (рассматривается транзистор типа р-n-р).

Выходным напряжением в схеме с об-щим эмиттером является напряжение коллектора измеряемое относительно эмиттерного электрода. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, напряжение коллекто-ра должно быть большим по величине, чем прямое напряжение базы.

Отметим, что в схеме с общим эмиттером в рабочем режиме, когда транзистор открыт, полярность источников питания базы и коллектора одинакова.



r Бо r ко

r эо

E 1 E 2

Рис. 5-4

Входные характеристики. Входные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером представляют собой зависимость тока базы от напряжения при ;

Ток коллектора равен: Iк= Iкбо + h21БIэ

Исключив ток эмиттера, получим:

Iк= Iкбо / (1+ h21Б) - h21Б / (1+ h21Б)*IБ (5.4)

Первый член называется обратным током коллектор - эмиттер при токе базы =0, т. е. разомкнутой базе.Этот ток обозначают Iкэо. Таким образом:

Iкэо = Iкбо / (1+ h21Б) (5.5)

Так как коофичент h21Б отрицателен, а по абсолютной величине очень близок к единице и может достигать 0,980 - 0,995, ток Iкэо в 50-200 раз больше тока Iкбо.

Множитель при втором члене в уравнении (5.4) является коофицинтом передачи тока в схеме с ОЭ в режиме больших сигналов:

h21Э =- h21Б /(1+ h21Б) (5.6)

Выразим коофицент h21Б через токи Iк, Iэ, и IкБо:

h21Б =-( Iк - IкБо )/ Iэ (5.7)

Подставив это выражение в уравнение (5.6), получим:

h21Э =( Iк - IкБо)/( IБ + IкБо) (5.8)

Когда ток коллектора Iк велик по сравнению с током IкБо,

h21Э ? Iк / IБ (5.9)

В реальном транзисторе добавляются токи утечки и термотоки пе-реходов, поэтому обратный ток базы закрытого транзистора

(5.10)

Входные характеристики транзистора показаны на рис. 5-5. При обратном напряжении базы и коллектора, т. е. в закры-том транзисторе, согласно выражению (5.10), ток базы является в основном собственным током коллекторного перехода . Поэтому при уменьшении обратного напряжения базы до нуля ток базы сохра-няет свою величину: .

При подаче прямого напряжения на базу открывается эмиттерный переход и в цепи базы появляется рекомбинационная составляющая тока . Ток базы в этом режиме в соответствии с выражением ; при увеличении прямого напряжения он уменьшается вначале до нуля, а затем изменяет направление и возра-стает почти экспоненциально.

Рис 5-5 Рис 5-6

Когда на коллектор подано большое обратное напряжение, оно ока-зывает незначительное влияние на входные характеристики транзи-стора. Как видно из рис. 5-5, при увеличении обратного напряжения коллектора входная характеристика лишь слегка смещается вниз, что объясняется увеличением тока поверхностной проводимости коллек-торного перехода и термотока.

При напряжении коллектора, равном нулю, ток во входной цепи значительно возрастает по сравнению с рабочим режимом ,потому что прямой ток базы в данном случае проходит через два па-раллельно включенных перехода-- коллекторный и эмиттерный. В целом уравнение (5.12) достаточно точно описывает входные харак-теристики транзистора в схеме с общим эмиттером, но для кремниевых транзисторов лучшее совпадение получается, если .

Коэффициент передачи тока базы. Найдем зависимость тока кол-лектора от тока базы с помощью выражений:

,

или (5.12)

Величина (5.13)

называется коэффициентом передачи тока базы. Поскольку коэффи-циент передачи тока эмиттера близок к единице, значение обычно лежит в пределах от 10 до 1000 и более.

Коэффициент передачи тока базы существенно зависит и от тока эмиттера (рис. 5-6). С ростом тока эмиттера коэффициент передачи тока базы вначале повышается вследствие увеличения напряженности внутреннего поля базы, ускоряющего перенос дырок через базу к кол-лектору и этим уменьшающего рекомбинационные потери на поверх-ности базы.

При значительной величине тока эмиттера коэффициент передачи тока базы начинает падать за счет снижения коэффициента инжекции, уменьшения эффективной площади эмиттера и увеличения рекомбинационных потерь в объеме базы.

Перечисленные причины обусловливают, как указывалось, не-большую зависимость коэффициента передачи тока эмиттера а от тока эмиттера I_э (см. рис.5-3). Но коэффициент передачи тока базы при изменении тока эмиттера может изменяться в несколько раз, поскольку в выражении (5.13) в знаменателе стоит разность близких величин .

Введя обозначение для коэффициента передачи тока базы в вы-ражение (5.12), получим основное уравнение, определяющее связь между токами коллектора и базы в схеме с общим эмиттером:

(5.14)

Выходные характеристики. Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером при опреде-ляются соотношением (5.14) и изображены на рис. 5-7. Минимально возможная величина коллекторного тока получается в том случае, когда закрыты оба перехода - и коллектора базы в этом случае согласно выражению (5.10)

(5.15)

где - ток эмиттера закрытого транзистора. Рис. 5-7

Ток коллектора закрытого транзистора в соответствии с выраже-ниями (5.14) и (5.15)

(5.16)

Ввиду малости тока эта характеристика не видна, она совпадает с осью напряжений.

При токе базы, равном нулю, что имеет место при небольшом пря-мом напряжении базы, когда рекомбинационная составляющая тока базы равна обратному току коллекторного перехода . коллекторный ток в соответствии с выражением (5.14)

(5.17)

С ростом коллекторного напряжения заметно увеличение этого то-ка вследствие увеличения коэффициента передачи тока базы .

При токе базы выходная характеристика транзистора смещается вверх на величину . Соответственно выше идут характеристики при больших токах базы , и т. д. Ввиду зависимости коэффициента пе-редачи тока базы от тока эмиттера расстояние по вертикали между ха-рактеристиками не остается постоянным: вначале оно возрастает, а затем уменьшается.

При снижении коллекторного напряжения до величины, меньшей напряжения базы, открывается коллекторный переход, что должно было бы повлечь за собой увеличение тока базы, но по условию он должен быть постоянным. Для поддержания тока базы на заданном уровне приходится снижать напряжение базы, что сопровождается уменьшением токов эмиттера и коллектора, поэтому выходные харак-теристики при имеют резкий спад. Транзистор перехо-дит в режим насыщения, при котором неосновные носители заряда инжектируются в базу не только эмиттерным, но и коллекторным переходом Эффективность управления коллек-торным током при этом существенно снижается, коэффициент переда-чи тока базы резко уменьшается.

Как показано на рис. 5-7 крупным масштабом в окружности, вы-ходная характеристика при наличии тока базы не проходит через на-чало координат.

При очень напряжениях Uкэ наблюдается резкое падение коллекторного тока с уменьшением напряжения Uкэ и независимость тока коллектора от тока базы. При этом транзистор входит в режим насыщения, который характеризуется тем, что при малых напряжениях коллектор - эмиттер оба p-n перехода, как эмитерный, так и коллекторный, оказываются смещены в прямом направлении.

Отметим, что напряжение Uкэ, при котором наступает насыщение, очень невелико у кремниевого транзистора. Например, напряжение насыщения Uкэ может быть равным=-0,2(В) при UБэ=-0,9(В) и UкБ=+0,7(В) и только при очень больших токах базы и коллектора напряжение насыщения Uкэ нас=0,5-1В

Для расчета транзисторных схем иногда применяют выходные ха-рактеристики, снятые при постоянном напряжении базы. Они отли-чаются от рассмотренных характеристик, снимаемых при постоянном токе базы, большей неравномерностью расстояний по вертикали между соседними характеристиками, обусловленной экспоненциальной зави-симостью между напряжением и током базы.

Схема с общим коллектором. (Эмиттерный повторитель)

На рис.(5.8) показана схема с общим коллектором (ОК).

RБ Rк

Rr C VT

Сэ

U п

Rэ Rн

Рис.(5-8)

Схема называется эмитерным повторителем, так как напряжение на эмиттере по полярности совподает с напряжением на входе и близко к нему по значению.

Если сопротивление нагрузки мало и выполняется условие h22э ?Rн¦«1 (5.18) в этом случае можно принебречь не только током цепи h22э, но и ЭДС генератора h22э Uкэ.

Коэффициент передачи тока. В соответствии с эквивалентной схемой коэффициент передачи тока КI=-Iэ/IБ=( IБ+ h21эIБ)/ IБ= h21э +1 (5.19)

Выходное сопративление. Ток эмиттера Iэ =-( IБ + h21эIБ)=-(1+ h21э) IБ. (5.20)

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя зависит от сопротивления генератора и мало, когда сопротивление генератора мало по сравнению с h11э. Малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя является его ценным свойством. Благодаря этому свойству его выходное сопротивление эквивалентно генератору напряжения, которое мало изменяется при изменении сопротивления нагрузки.

4. Анализ эквивалентных схем биполярного транзистора.

Все параметры можно разделить на собственные (или первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения, а вторичные параметры для различных схем включения различны.

? Іэ

r эо r ко

r Бо

E 1 E 2

Рис. 6-1. Эквивалентная Т-образная схема транзистора в схеме с ОБ.

В качестве собственных параметров помимо знакомого нам коэффициента усиления по току принимают некоторые сопротивления в соответствии с эквивалентной схемой транзистора для переменного тока (рис. 6-1). Эта схема, называемая Т-образной, отображает электрическую структуру транзистора и учиты-вает его усилительные свойства. Как в этой, так и в других эквивалентных схемах следует подразумевать, что на вход включается источник усиливаемых колебаний, создающий входное напряжение с амплитудой , а на выход - нагрузка R_H. Здесь и в дальнейшем для переменных токов и напряжений будут, как правило, указаны их амплитуды. Во многих случаях они могут быть заме-нены действующими, а иногда и мгновенными значениями.

Основными первичными параметрами являются сопротивления , и , г. е. сопротивления эмиттера, коллектора и базы для переменного тока. Со-противление , представляет собой сопротивление эмиттерного перехода, к кото-рому добавляется сопротивление эмиттерной области. Подобно этому явля-ется суммой сопротивлений коллекторного перехода и коллекторной области, но последнее очень мало по сравнению с сопротивлением перехода. А сопротивление есть поперечное сопротивление базы.

В схеме на рис. 6-1,а усиленное переменное напряжение на выходе получается от некоторого эквивалентного генератора, включенного в цепь кол-лектора; ЭДС этого генератора пропорциональна току эмиттера .

Эквивалентный генератор надо считать идеальным, а роль его внутреннего сопротивления выполняет сопротивление . Как известно. ЭДС любого генератора равна произведению его тока короткого замыкания на внутреннее сопротивление. В данном случае ток короткого замыкания равен , так как при , т. е. при коротком замыкании на выходе. Таким образом, ЭДС генератора равна .

Вместо генератора ЭДС можно ввести в схему генератор тока. Тогда получается наиболее часто применяемая эквивалентная схема (рис. 6-1, б). В ней генератор тока создает ток, равный . Значения первичных параметров примерно следующие. Сопротивление , составляет десятки Ом, -- сотни Ом, а -- сотни килоОм и даже единицы мегаОм. Обычно к трем сопротивлениям в качестве четвертого собственного параметра добавляют еще . Рассмотренная эквивалентная схема транзистора пригодна только для низких частот. На высоких частотах необходимо учитывать еще емкости эмиттерного и коллекторного переходов, что приводит к усложнению схемы.



?IБ