Лекція 16. Транзистори

План

· Класи транзисторів.

· Устрій та принцип дії біполярного транзистора.

· Режими роботи біполярного транзистора.

· Способи включення та характеристики схем включення.

· Статичні і динамічні характеристики схем включення.

· Хрест-характеристика транзистора.

· Підсилювачі.

Класи транзисторів.

Транзисторами називаються напівпровідникові прилади, які підсилюють сигнали за потужністю. Транзистори мають гаму конструктивно–технологічних різновидів, але по принципу дії їх ділять на два основних класи: біполярні та уніполярні.

В основі роботи біполярних транзисторів лежить інжекція неосновних носіїв заряду. Тому невід’ємною складовою частиною біполярного транзистора є р - n перехід. Назва «біполярний» підкреслює роль обох типів носіїв заряду (електронів та дірок) в роботі цього класу транзисторів: інжекція неосновних носіїв супроводжується компенсацією їх зарядів основними носіями.

Робота уніполярного транзистора основана на використанні тільки одного типа носіїв – основних (або електронів, або дірок). Процеси інжекції та дифузії в таких транзисторах практично відсутні, в усякому випадку вони не відіграють принципової ролі. Основним способом руху носіїв служить дрейф в електричному полі.

Для управління струмом у напівпровіднику при постійному електричному полі необхідно міняти або питому провідність напівпровідникової смуги, або його площу. На практиці використовують обидва способи, в основі яких лежить ефект поля. Тому уніполярні транзистори іменують також польовими транзисторами. Смуга, по якій протікає струм, називають каналом. Звідки ще одна назва такого класу транзисторів – канальні транзистори.

Предметом цього розділу є вивчення фізичних процесів у біполярному транзисторі та аналіз його основних характеристик і параметрів.

Устрій та принцип дії біполярного транзистора.

Біполярний транзистор – це напівпровідниковий прилад, який має два зустрічно включених взаємодіючих р-n переходи. Основним елементом транзистора є кристал германія або кремнію, в якому створені три області з різним типом провідності. Дві крайні області завжди мають провідність однакового типу, протилежного типу провідності середньої області. Між середньою і крайніми областями і утворюються р-n переходи. Взаємодія переходів забезпечується тим, що вони розміщені достатньо близько один від одного – на відстані, що менша дифузійної довжини носіїв.

В реальних транзисторах площі обох р-n переходів суттєво відрізняється, що видно з рисунку. Перехід n ₁ – р має набагато меншу площу, ніж n ₂ – р; крім того, в більшості транзисторів один із крайніх шарів (шар з меншою площею - n ₁) легований домішками набагато більше, чим інший (n ₂). Таким чином транзистор є асиметричним приладом.

Асиметрія транзистора зберігається в назві крайніх шарів: сильно легований шар з меншою площею (n ₁) називають емітером, а шар з більшою площею (n ₂) називають колектором. Відповідно розрізняють емітерний та колекторний переходи (n ₁ – р, n ₂ – р). Середній шар транзистора називають базою.

Транзистор, що зображений на рисунку, характерний тим, що його крайні шари (емітер та колектор) мають провідність n –типу, а середній шар (база) – провідність р –типу. Транзистори з такою структурою називають n – р – n – транзисторами. У мікроелектроніці вони відіграють основну роль. Крім того використовуються транзистори, у яких емітер та колектор мають провідність р –типу, а база – провідність n – типу. Транзистори з такою структурою називають р–n – р – транзисторами. По принципу дії вони нічим не відрізняються від n – р – n – транзисторів, але їм властиві інші полярності робочих напруг, а також ряд кількісних особливостей. Умовні позначення в схемах n – p – n і p – n – p транзисторів показані на рисунку.

Транзистори р – n – р не мають у мікроелектроніці самостійного значення, тобто не використовуються замість n – р – n транзисторів у схемах одного і того ж класу. Але вони відкривають можливість комбінування n – р – n та р – n – р транзисторів в одній і тій же схемі. Така комбінація у деяких випадках забезпечує спрощення структури та оптимізацію параметрів відповідних схем. Транзистори n – р – n та р – n – р у таких схемах, а також самі схеми такого типа називають комплементарними (доповнюючими).

Принцип роботи транзистора заснований на управлінні струмами електродів в залежності від підведених до його р – n переходів напруг. У загальному випадку ця залежність є складною, тому проведемо аналіз на спрощеній моделі p – n – p транзистора без урахування ряду чинників, що впливають на його властивості.

При відсутності напруг U _БЕ і U _БЕ на кожному з переходів (див. лекцію 14) утворюється потенціальний бар’єр з різницею потенціалів U ₀. Полярності напруг, утворених на переходах, показані на рисунку, що ілюструє роботу n – p – n транзистора (а) і еквівалентну схема його заміщення (б).

При підключенні зовнішнього джерела напруги U _КБдо колекторного переходу (позитивним полюсом до колектора, негативним – до бази) напруга на переході «база–колектор» збільшиться до рівня U ₀ + U _КБ і, оскільки зовнішнє поле співпадає з напрямом поля U ₀, цей перехід буде закритий. Колекторний струм при цьому визначається лише незначною дифузією вільних електронів з колектора в базу для підтримки рівня U ₀ потенціального бар’єра і складає в залежності від типу транзистора 0,1%…1% струму колектора при відкритому переході.

При підключенні зовнішнього джерела напруги U _БЕдо емітерного переходу (позитивним полюсом до бази, негативним – до емітера) напруга на переході «емітер–база» зменшиться до рівня U _БЕ– U ₀, оскільки зовнішнє поле протилежне напряму поля U ₀. Звичайно | U _БЕ| << | U _КБ|. Коли прикладена напруга U _БЕ перевищить рівень потенціального бар’єра U ₀, перехід «емітер–база» відкриється і через нього почне протікати струм емітера І _Е. При цьому вільні електрони з області n емітера переходять в область р бази (інжекція електронів) і, оскільки геометричні розміри бази дуже малі, підпадають під дію напруги U ₀ + U _КБ на колекторному переході, яка сприяє їх вільному переходу в область n колектора (екстракція електронів). Одночасно дірки бази будуть переходити в область емітера. Таким чином утворюється струм І _К.

Природно, що в області бази незначна частина вільних електронів дістанеться електрода бази Б і утворить струм бази І _Б. Очевидно, що чим менше товщина бази, тим менше І _Б і тим ближче величина І _К до величини І _Е. Однак в будь якому випадку І _Е = І _Б + І _К, або І _Б = І _Е – І _К, або І _К = І _Е – І _Б.

Отже, в n–p–n транзисторі при підключені до бази додатної відносно емітера напруги з’являється колекторний струм І _К, якщо до колектора прикладена відносно бази додатна напруга. Змінюючи значення напруги U _БЕ і, отже, величину струму І _Б, можна змінювати значення І _К, що протікає в колекторному колі.

Аналогічні явища відбуваються в p-n-p транзисторі. Підключення зовнішніх джерел забезпечує включення емітерного переходу в прямому напрямку, а колекторного – в зворотному. Через емітерний р-n перехід здійснюється інжекція дірок з емітера в область бази. Одночасно електрони бази будуть проходити в область емітера. Оскільки в транзисторах концентрація носіїв зарядів в базі значно менша, ніж в емітері, то це призводить до того, що кількість дірок, інжектованих в базу, на багато перевищує кількість електронів, що рухаються в протилежному напрямку. Отже, майже весь струм через емітерний р-n перехід в p-n-p транзисторі зумовлений дірками. Потрапивши в базу, для якої дірки є неосновними носіями заряду, незначна частина дірок рекомбінує з електронами, утворюючи базовий струм І _Б. Переважна ж більшість дірок встигають пройти крізь тонкий шар бази, досягти колектора і потрапити під дію прискорюючого для них електричного поля колекторного переходу. В результаті екстракції дірки швидко втягуються із бази в колектор і беруть участь в утворені струму колектора.

Для оцінки впливу струму І _Е на струм І _К введено поняття «коефіцієнт передачі за струмом в схемі зі спільною базою – a». Саме ця схема показана на рисунку (а), де обидві напруги (емітерна – U _БЕ і колекторна – U _КБ) подаються на емітер і колектор відносно бази. Величина a визначається при такій схемі включення за формулою a = D І _К / D І _Е і завжди менша 1, оскільки колекторний струм є частиною емітерного. Чим «тонша» база, тим коефіцієнт передачі за струмом a ближчий до 1.

Якщо управляти базовим струмом І _Б, змінюючи додатну напругу U _БЕ відносно емітера, забезпечуючи при цьому постійну додатну напругу U _КЕ (така схема включення називається «схемою із спільним емітером»), то в цьому випадку можна записати:

D І _Б = D І _Е – D І _К = D І _Е(1 – a).

Ввівши позначення b = D І _К / D І _Б і поділивши обидві частини попереднього рівняння на І _К, отримуємо: 1 / b = (1 – a) / a, звідки b = a / (1 – a).

Величина b = D І _К / D І _Б називається «коефіцієнт підсилення за струмом в схемі зі спільним емітером». Очевидно, що при a < 1 завжди b > 1 і чим ближче a до 1, тим вище значення b. В реальних конструкціях біполярних транзисторів a = 0,95…0,995, що забезпечує b = 20…1000.

Режими роботи біполярного транзистора.

В залежності від полярності напруг, що прикладені до емітерного і колекторного переходів транзистора, розрізняють такі режими його роботи:

Активний режим. На емітерний перехід подана пряма напруга, а на колекторний – зворотна. Цей режим є основним режимом роботи транзистора. Внаслідок того, що напруга в колі колектора значно перевищує напругу, підведену до емітерного переходу, а струми в колах емітера і колектора практично рівні, потужність сигналу в колекторному (вихідному) колі може значно перевищувати потужність у емітерному (вхідному) колі. Ця обставина визначає підсилювальні властивості транзистора.

Режим відсікання. До обох переходів підведені зворотні напруги. Тому через них проходить лише незначний струм, зумовлений рухом неосновних носіїв заряду (дрейфовий струм). Практично транзистор в режимі відсікання виявляється закритим.

Режим насичення. Особливе місце в роботі транзистора займає режим подвійної інжекції, або, не зовсім точно, режим насичення. Режим подвійної інжекції характерний тим, що на обох переходах – емітерному та колекторному – діють прямі напруги. При цьому і емітер і колектор інжектують носії в базу назустріч один одному та одночасно кожен із них збирає носії, що дійшли від іншого. Струм у вихідному колі транзистора максимальний і практично не регулюється струмом вхідного кола. В цьому режимі транзистор повністю відкритий.

Інверсний режим. До емітерного переходу підводиться зворотна напруга, а до колекторного – пряма. Отже емітер виконує функції колектора, а колектор – емітера. Цей режим, як правило, не відповідає нормальним умовам експлуатації транзистора.

Передача струму при інверсному включенні значно гірша ніж при нормальному. Причини цього такі. По-перше, у зв’язку із слабким легуванням колектора мала електронна складова колекторного струму. По-друге, площа реального колектора значно більше площі емітера. Тому на емітер попаде лише невелика частка електронів, інжектованих колектором.

Транзистор в режимі ключа. Важливими елементами сучасних схем автоматики і обчислювальної техніки є пристрої, які мають можливість знаходитись в одному з двох стійких станів (режимів) і під дією вхідного сигналу стрімко змінювати свій стан (режим). Це дозволяє здійснювати перемикання (комутацію) різних електричних кіл схеми.

Таким елементом є тунельний діод, і його робота в перемикаючій схемі була розглянута в лекції 15.

Транзистор також є одним з найрозповсюдженіших елементом безконтактних перемикаючих пристроїв. Режим роботи транзистора в перемикаючій схемі називають ключовим режимом. В цьому режимі транзистор в процесі роботи схеми періодично переходить з відкритого стану (режиму насичення) в закритий (режим відсікання) і навпаки, що відповідає двом стійким станам перемикаючого пристрою.

Способи включення та характеристики схем включення.

При нормальному включенні n – р – n – транзистора (в активному режимі) на емітерному переході діє пряма напруга, а на колекторному – зворотна. При цьому електрони інжектуються із емітера в базу, проходять її майже без рекомбінації (ширина бази мала), без перешкоди попадають в колектор, що знаходиться під додатним потенціалом. Отже, при нормальному включенні колектор збирає неосновні (в базі) носії, що надійшли в базу, чим і пояснюється його назва (збирач). Ясно, що при вказаній полярності напруги, колектор здатний збирати тільки електрони. Тому важливо, щоб струм емітера утримував в основному електронну складову. Через це емітер легують значно сильніше, ніж базу, з тим, щоб емітерний перехід був одностороннім.

При нормальному включенні транзистора струми колектора та емітера майже однакові з точністю до незначного струму бази. Останній компенсує зменшення основних носіїв (дірок) в результаті рекомбінації, котра має місце навіть при дуже малій товщині бази, а також у результаті інжекції дірок із бази в емітер.

Опір зворотно зміщеного колекторного переходу дуже великий – декілька мегомів і більше. Тому в коло колектора є можливість включати досить великі опори навантаження, не змінюючи величину колекторного струму. Відповідно, в колі навантаження може виділятися значна потужність.

Опір прямо зміщеного емітерного переходу досить малий. Тому при майже однакових струмах емітера та колектора потужність. що споживається в колі емітера, буде набагато меншою, ніж потужність що виділяється в колі навантаження. Таким чином транзистор здатний підсилювати потужність, тобто є підсилювальним приладом.

В практичних схемах транзистор використовують як чотириполюсник, тобто прилад з двома вхідними і двома вихідними клемами і, оскільки транзистор має тільки три виводи (емітер, база, колектор), один з виводів транзистора приєднують спільно для вхідного і вихідного кола. Отже, розрізняють схеми включення зі спільною базою (а), спільним емітером (б) і спільним колектором (в).

До цього часу ми задавали напругу на емітері та колекторі відносно бази. Таке включення транзистора називають включенням зі спільною базою (рис (а)) або схемою зі спільною базою та позначать СБ.

На рис. (а) показана схема із спільною базою, яка відмінна від схеми, розглянутої в п. «Устрій та принцип дії транзистора» (рис. а, б) тим, що у вхідному (емітерному) колі послідовно з джерелом живлення Е ₁ (на рис. а – U _БЕ) включено джерело вхідного сигналу, яке виробляє деяку змінну напругу U _вх , а у вихідне (колекторне) коло послідовно з джерелом живлення Е ₂ (на рис. а – U _КБ) включений опір навантаження R _н, на якому при проходженні колекторного струму І _К утворюється падіння напруги. Решта напруги – між колектором і базою U _вих розглядається як вихідний сигнал. Через джерело вхідного сигналу проходить струм емітера І _Е, який називають вхідним струмом. Отже для схеми із спільною базою І _вх = І _Е. Вихідний струм в цій схемі є струм колектора (І _вих = І _К).

Якщо під дією U _вх струм емітера збільшиться на деяку величину D І _Е, то відповідно збільшується і інші струми транзистора:

І _Е + D І _Е = І _К + D І _К + І _Б + D І _Б

Незалежно від схеми включення транзистори характеризуються диференціальним коефіцієнтом прямої передачі струму, який уявляє собою відношення зміни вихідного струму до приросту вхідного струму, що цю зміну викликав при постійній напрузі у вихідному колі. Для схеми із спільною базою таким коефіцієнтом може слугувати коефіцієнт передачі струму емітера:

a = D І _вих / D І _вх = D І _К / D І _Е при Е ₂ = const.

Оскільки струм емітера – найбільший із всіх струмів транзистора, то схема зі спільною базою має малий вхідний опір для змінної складової вхідного сигналу. Фактично цей опір дорівнює опору емітерного переходу r _Е, включеного в прямому напрямку, тобто

R _вх = D U _вх / D І _вх = D U _вх / D І _Е» r _Е.

Низький вхідний опір схеми із спільною базою (кілька ом) є її суттєвим недоліком, оскільки шунтує вихідне коло попередньої схеми.

Отже:

Коефіцієнт підсилення транзистора в схемі зі спільною базою за струмом для активного навантаження приблизно збігається з коефіцієнтом передачі струму

К _І» D І _К / D І _Е» a = 0,95 ¸ 0,99 (U _КБ = const).

Коефіцієнт підсилення за напругою визначається за формулою

К _U = D U _вих / D U _вх » (D І _К · R _н) / (D І _Е· R _вх) = (aD І _Е /D І _Е)×(R _н / r _Е) = a × R _н / r _Е

Наприклад, якщо r _Е= 100 Ом, R _н = 10³ Ом, a = 0,95, то К _U =0,95×10³/100 = 9,5.

Коефіцієнт підсилення за потужністю:

К _П = Р _вих / Р _вх = (D І _К ² R _н) / (D І _Е ² R _вх) = К _І К _U = a² × R _н / r _Е» 0,9×10» 9.

Схема СБ дозволяє добре розкрити фізику транзистора та має інші особливості. Але той факт, що вона не забезпечує підсилення струму та має малий вхідний опір (опір емітерного переходу) робить її не оптимальною для більшості використань. Тому головну роль у транзисторній техніці виконує інше включення – зі спільним емітером, яке позначається СЕ (рис б).

Для схеми зі спільним емітером характерна задана величина струму бази. Отже, вхідний сигнал прикладається до емітера і бази. Джерело живлення колектора Е ₂включене між емітером і колектором. Емітер є спільним для вхідного і вихідного кіл.

Особливістю схеми із спільним емітером є те, що вхідним струмом є незначний по відношенню до інших струм бази. Вихідним струмом в цій схемі, як і в схемі із спільною базою, є струм колектора. Отже, коефіцієнт прямої передачі струму для схеми із спільним емітером – b = D І _вих / D І _вх = D І _К / D І _Б, тобто в схемі із спільним емітером можна отримати коефіцієнт прямої передачі струму в кілька десятків.

Вхідний опір транзистора в схемі із спільним емітером значно більший, ніж в схемі із спільною базою, оскільки:

R _вх = D U _вх / D І _вх = D U _вх / D І _Б >> D U _вх / D І _Е.

Коефіцієнту підсилення транзистора із спільним емітером за струмом для активного навантаження відповідає коефіцієнт передачі струму бази:

К _І» D І _К / D І _Б = D І _К / (D І _Е – D І _Б)» a / (1 – a)» b >> 1

і на відміну від схеми зі спільною базою транзистор в схемі зі спільним емітером забезпечує підсилення за струмом.

Коефіцієнт підсилення за напругою:

К _U = D U _вих / D U _вх = D U _КЕ / | D U _ЕБ |» b × R _н / r _Е,

тобто як і в схемі зі спільною базою, транзистор в схемі зі спільним емітером підсилює сигнал і за напругою.

Коефіцієнт підсилення за потужністю дорівнює добутку коефіцієнтів:

К _П = К _І К _U = b² × R _н / r _Е.

Вхідний опір визначається формулою

R _вх = D U _ЕБ / D І _Б = D І _Е× r _Е / D І _Б» b × r _Е.

Схема із спільним колектором (СК) (рис. в) ще називається емітерний повторювач. Вхідним є коло база–колектор, вихідним – коло колектор–емітер; спільним електродом є колектор, безпосередньо до нього приєднаний позитивна клемам джерела Е ₂. Навантаження приєднано до емітера. По колектору проходить струм І _К = І _Е – І _Б.

Коефіцієнт прямої передачі струму майже такий як і в схемі із спільним емітером:

К _І» D І _Е / D І _Б = D І _Е / (D І _Е – D І _К) = D І _Е / (D І _Е – a D І _Е) = a / (1 – a) = b + 1» b.

Особливість схеми з СК полягає в тому, що коефіцієнт підсилення за напругою К _U завжди менший одиниці, оскільки вихідна напруга U _вих в цій схемі практично складає частину вхідної.

Інша особливість полягає в тому, що вихідний сигнал співпадає за фазою з вхідним (звідси назва схеми – емітерний повторювач). На відміну від схеми СК в схемі СЕ вихідний сигнал протилежний за фазою із вхідним сигналом (є його дзеркальною пропорційною копією).

Транзистор в схемі з СК зручно застосовувати як узгоджуючий елемент, що включається в пристроях між високоомним попереднім колом і низькоомним навантаженням.

Відмінними властивостями схеми з СК вважається високий вхідний опір (до 100 кОм) і невеликий вихідний опір (менше 100 Ом), а також однакова фаза вихідного сигналу по відношенню до вхідного.