| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Глава IV
Общи свойства на биполярните транзистори
4.1. Видове транзистори
Делят се на две основни групи:
а) биполярни - работния им ток се обуславя едновременно от два вида токоносители през PN прехода електрони и дупки от където е дошло и името им.
б) полеви - при тях липсва инжекция на токоносители и работния им ток се обуславя само от електрони или само от дупки. Поради това се наричат още униполярни.
4.2. Общи сведения за биполярните транзистори
Биполярният транзистор представлява полупроводников монокристал, в който са създадени два електронно-дупчести прехода, обърнати един срещу друг. Средната област е обща за двата прехода (фиг. 4.1) и се нарича база (В). Нейната проводимост е противоположна. В зависимост от редуването на областите имаме PNP и NPN транзистори. Разликата е само в посоката на захранването. Базата е много по-тънка от другите области.
4.3. Видове биполярни транзистори и технологии за получаването им.
Класифицират се въз основа на следните признаци:
- от вида на използвания полупроводник силициеви или германиеви транзистори;
- от мощността на разсейване маломощни (0.3 W), средномощни (до 3W) и мощни (над 3W);
- в зависимост от граничната честота fa нискочестотни (до 3 MHz), средночестотни (до 30 MHz), високочестотни (до MHz), свърхвисокочестотни (над 300MHz);
- в зависимост от механизма на движението на токоносителите дифузни (само дифузия), дрефови (създават допълнително вътрешно поле;
- в зависимост от технологията на производство планарно-епитаксиални, сплавни, конверсионни и др.;
Планарно-епитаксиални транзистори
На фиг. 4.2 а е показана конструкцията на маломощен планарно-епитаксиален транзистор, като корпусът е метален и свързан непосредствено с колектора. Плупроводникоият кристал е силициев и неговата структура е показана на фиг. 4.2 б. Върху нискоомна подложка N + са нанесени последователно N високоомен слой (колектор), Р слой (база) и N слой (емитер) по метода на дифузията и фотодиотографията. Тук емитерът, базата и колекторът се намират почти в една равнина, като дебелината на целия кристал е 200 - 300
mm. Погледнат отгоре, емитерът представлява малко метално кръгче, около което във вид на метален пръстен е разположената базата. Метализирането се извършва най-често с алуминий и именно в тези места се запояват изводите на емитера и базата. При тази технология като изолатор се използва SiO2, който се получава чрез окисляване на силиция. Обръщаме внимание, че SiO2, покрива PN преходите и именно тази защита подобрява стабилността на транзисторите, като забавя стареенето им (фиг. 4.2б).
Фиг. 4.2
Важна особеност на планарно-епитаксиалните транзистори е, че по механизъм на движение на токоносителите през базата та те са дрейфови. Колкото това време е по-малко, толкова честотните свойства на транзисторите са по-добри. За намаляване на това време има два начина: намаляване на широчината на базата и създаване на допълнително вътрешноускоряващо поле в базата. Това поле може да се създаде, като базата се изработва неравномерна концентрация на примесите (фиг. 4.2в). В такъв случай токоносителите преминават през базата не само вследствие на дифузията но и вследствие на техния дрейф (преместван) в допълнителното поле Е
b. Понастоящем всички високочестотни транзистори са дрейфови.Друго предимство е едновременното получаване на голям брой малки кристалчета върху обща групова пластина, след което следва нарязването и фиг. (3.14). Това осигурява еднаквост на параметрите и ниска цена на транзисторите. Заслужава да се отбележи, че транзисторите с метален корпус се използват за устройства, където сигналите са малки, тъй като металният корпус служи и като екран против паразитни смущения.
На фиг. 4.3 а е показан маломощен силициев транзистор в пластмасов корпус. Неговото кристалче е изработено също по пларно-епитаксиалната технологии. При тези транзистори целият производствен процес е автоматизиран, което води до още по-ниска цена на приборите.
По планарно-епитаксиалната технология се изработва също така и кристалчетата на средномощните и мощните биполярни транзистори (фиг. 4.3 б, в). При тях кристалчето е запоено върху медна плочка (колектор) или върху металния корпус, чрез което се осигурява добро топлоотвеждане.
Сплавни транзистори.
По тази технология се произвеждат различни видове нискочестотни и средночестотни транзистори.
Кристалът е монтиран в метален корпус, който е затворен херметично. В някой случай в корпуса има силиконова паста.
Конверсионни транзистори.
При тази технология базата се изработва от полупроводник, в който са въведени два примеса донорен и акцепторен.
Обикновенно акпецпторния примес е мед. По такъв начин базовия слой, намиращ се в съседство с емитера, обеднява на медни акцепторни атоми и от N област се превръща в Р област. Това превръщане се нарича конверсия. По тази технология се произвеждат транзисторите П601-609.Меза транзистори.
Базата представлява тънък слой с Р проводимост, образуван върху силициева пластинка по
!!! метод. След това върху базата чрез изпарение са нанесени алуминий и злато, към които съответно са запоени емитерния и базовият извод (фиг. 4.5 б). Под емитера (по-точно под алуминия) при топлинна обработка се образува зона, която след рекристализация има N проводимост. По тази технология за произведени руските транзистори КТ802А, КТ903 и др. с колекторен ток 5А и гранична честота 120МНz.4.4. Как усилва биполярният транзистор
Най-важна особеност на всеки усилвателен елемент е тази, че мощността на входа е по-малка от тази на изхода. Транзисторът не произвежда енергия а само я трансформира.
Всеки усилвател има четири клеми. Две вход и две изход. На входа се подава сигнала за усилване а на изхода излиза усиления кристал.
Основни параметри на всеки усилвател са:
1. Коефициент на усилване по напрежение;
Това е числото което може да бъде както по-голямо, така и по-малко от единица.
2. Коефициент на усилване по ток;
Това е число, което може да бъде както по-голямо, така и по-малко от единица.
3. Коефициент на усилване по мощност
4. Входно съпротивление;
Различаваме входно съпротивление по постоянен ток и входно съпротивление по променлив ток. Предимно се работи с входно съпротивление по променлив ток.
5. Изходно съпротивление;
Същата работа като горното
Когато транзисторът работи като усилвател единия извод е общ. Възможни се шест теоретични начина на свързване но само три имат усилвателни свойства. Обща база, общ емитер и общ колектор.
Фиг. 4.8
Биполярният транзистор се управлява с ток.
4.5. Обратен колекторен ток по напрежение
Фиг. 4.9
На фиг. 4.9 е показано свързване на транзистор, при което емитера е свободен, а източникът е свързан спрямо колекторния преход. В този случай във веригата протича обратен колекторен ток ICBO.При силициевите диоди той се определя от тока на термогенерацията и от утечния ток на силициевите преходи нараства малко по-бързо, отколкото на германиевите Обаче при температури под 100о С, той е далече по-малък от обратния колекторен ток на германиевите транзистори.
Обратния колекторен ток зависи силно от температурата.
където: ICBO(t) - обратния колекторен ток при повишена температура;
ICBO(25) - обратния колекторен ток при стайна температура;
Dt - нарастването на температурата над стайната;
а - коефициент, който при силиция има стойност 0.13оС-1, а при германия 0.09оС-1;
Обратния колекторен ток на всеки 10о удвоява своята стойност.
4.6. Схема с общ емитер
Фиг. 4.11
Коефициент на усилване по ток
b.Източникът Е1 е включен в права посока спрямо емитерния преход, а източникът Е2 в обратна посока спрямо колекторния преход. Накратко казано на малкия базов ток съответства далеч по-големи стойности на колекторния ток.
За да установим това влияние количествено, с потенциометъра можем да предизвикаме малки изменения на базовия ток
DIC. Отношението на тези две величини се бележи с b и се нарича диференциален коефициент на усилване по ток.Пример: За транзистора 2Т3511, свързан по схемата на фиг. 4.11б, се получават следните резултати: при увеличаване на базовия ток от 13 на 15
mA (15 - 13 = 2) колекторния ток нараства от 1.04 до 1.20 mA. Следователно коефициентът на усилване ще бъде
Усилвателните свойства могат да се дефинират така: Всеки ток преминал през управляващият емитерен преход, поражда
b пъти по-голям ток в колектора.Режим плаваща база.
Фиг. 4.12
При този режим базата не е свързана никъде, а източника е свързан спрямо емитера в права посока а спрямо колектора в обратна. Това означава, че почти цялото напрежение действа върху колекторния преход.
Фиг. 4.13
От тук следва, че остатъчният колекторен ток може да бъде много пъти по-голям от обратния колекторен ток.
Фиг. 4.14
Начален колекторен ток.
Фиг. 4.15
Ако свържем емитера с базата напрежението на източника действа само върху колекторния преход. При това положение в извода на емитера не би трябвало да тече ток, а токът във веригата колектор база трябва да бъде равен на обратния колекторен ток ICBO. На практика обаче самата база има значително съпротивление RB което при маломощните транзистори е 50 - 200
W. Това съпротивление е показано с прекъсната линия на фиг. 4.15.Като протича през него обратния колекторен ток поражда пад на напрежение с означената полярност, което е равносилно, че между емитера и базата е включен източник с минимално напрежение. Действието на този правилен източник е такова, че той намалява потенциалната бариера в емитерния преход (фиг. 4.16)
Фиг. 4.16
В резултат на това токът в колекторната верига (фиг. 4.15) е по-голям от обратния колекторен ток ICBO и се нарича начален колекторен ток ISES . Неговата големина се обуславя както от обратния колекторен ток, така и от съпротивлението на базата, като при добрите транзистори е в сила зависимостта:
Фиг. 4.17
Формула на колекторни ток при схема ОЕ.
В базовата верига на транзистора при схема ОЕ протича определен базов ток IB, а освен това между базата и емитера има включено външно RB. В такъв случай за колекторния ток можем да запишем:
Ако към транзистора приложим първия закон на Кирхов ще получим зависимостта:
Тази формула е валидна за трите начина на свързване на транзисторите. ( ОЕ, ОБ, ОК)
Фиг. 4.18
На фиг. 4.18 са показани положителните посоки на постоянните токове през двата основни вида биполярни
транзистори.Понякога в теорията се използва понятието интегрален коефициент на усилване по ток при схема ОЕ. За неговото изясняване нека разгледаме на фиг. 4.18. Тук съпротивлението между базата и емитера е практически нула, ето защо обратния колекторен ток притича изцяло през веригата на базата. Интегралния коефициент на усилване представлява отношението между управляемият компонент на колекторния ток и управляващия базов ток. При схема ОЕ се бележи с В.
В случаите когато базовият ток е значително по-голям от обратния колекторен ток, за интегралния коефициент можем да напишем:
Физическо обяснение на усилвателните свойства на транзистора при схема ОЕ.
Първото условие е базата да бъде по-малка от дифузната дължина L на не основните токоносители. Второто условие е базата да бъде по-високоомна от емитера поне 100 пъти за да може инжекцията да бъде еднопосочна.
Фиг. 4.19
Между емитера и колектора е свързан източник със значително напрежение, например 3 - 12 V, и с такава полярност, че колекторния преход е включен в обратна посока. В резултат на това (ако пренебрегнем малкия остатъчен ток) можем да приемем, че ток във веригата не тече. Ако обаче между емитера и базата включим втори източник в права посока, при сравнително малки напрежения (части от волта) потенциалната бариера в емитерния преход намалява. Това създава условия за инжектиране на токоносители (в случая електрони) през прехода, които поради дифузията преминават през базата и достигат до колекторния преход. За тях полето в този преход не е спиращо, а е ускоряващо, при което те попадат в колектора и образуват колекторния ток IC.
Понеже емитерът инжектира токоносители в базата, а колекторът ги привлича, оттук са дошли и наименованията емитер (излъчвател) и колектор (събирач).
Токът през емитерния преход IE се дължи на електроните, постъпващи от емитера в базата. Малък процент от тези електрони рекомбинират с дупки в самата база, като образуват малкия базов ток IB. За намаляване на тази рекомбинация (на фиг. 4.19а мястото е отбелязано с кръстче) базата трябва да е тънка.
Базата не се наелектризира отрицателно от това, че една част от дупките рекомбинриат, защото през базовия извод я напускат сготвен брой електрони. Очевидно колкото базовият ток е по-малък от колекторния, толкова коефициентът
b е по-голям.Усилвателните свойства на биполярният транзистор по схема ОЕ могат да се обяснят така. Подаденото на входа малко напрежение намалява потенциалната бариера в емитерния преход, в резултат на което значителен брой токоносители навлизат от емитера в базата. Базата има нищожна дебелина и само нищожна част от тези токоносители рекомбинират в нея, като образуват базовия ток. Останалите токоносители за базата са неосновни, поради което за тях полето в колекторния не е спиращо, а ускоряващо. Така те преминават през колекторния преход и образуват колекторния ток, който е много пъти по-голям от базовия.
Фиг. 4.20
Веригата, в която притича усиленият изходен ток, е колектор - емитер (показана с плътна линия). ТЯ се нарича още управлявана верига, тъй като токът през нея е
b пъти по-голям от базовия. В усилвателен режим колекторния преход е поляризиран винаги в обратна посока, затова напрежението колектор - емитер може а бъде значително.4.7. Схема с обща база
Входния сигнал се подава между емитера и базата, а изходният се получава между колектора и базата. Коефициентът на усилване по ток е винаги по-малък от единица. Схемата усилва по напрежение.
Коефициент на усилване по ток.
Фиг. 4.21
При твърде ниски напрежения (части от волта) емитерния ток има значителна стойност, защото източникът Е1 е включен в права посока. Колекторният ток е силно зависим от емитерния, ако увеличаваме емитерния ток, колекторния ток също нараства, но е винаги по-малък.
Тази схема се нарича още дифериенциален коефициент на усилване по ток:
Пример: 4.2 За транзистора 2Т35111, свърза по схема ОБ се получават следните резултати при увеличаване на емитерният ток от 1 до 1.5 mA (
DIL = 1.5 - 1 = 0.5 mA), колекторният ток нараства от 0.99 до 1.485 mA (DIC = 1.485 - 0.990 = 0.495 mA). Следователно коефициентът а усилване по ток на този транзистор при схема ОБ ще бъде:
Коефициентът
a h21В e един от най-важните параметри на транзисторите. Всеки ток преминал управляващият емитерен преход, се усилва a пъти и именно това е колекторния ток. Физическото обяснение на това явление ще бъде разгледано по-нататък в тази точка.Когато емитерът не е свързан с нищо през транзистора ще протича само обратния колекторен ток.Когато между емитера и базата е приложено определено напрежение в права посока, то ще породи съответен емитерен ток IE. Съответно се поражда и колекторен ток. За тока в колекторната верига можем да запишем:
За даден транзистор коефициентите на усилване по ток
a и b са свързани помежду си чрез формулите:
От тези формули можем да намерим единия коефициент ако знаем другия. Коефициентът
a може да се намери по:
където:
w - широчината на базата.L - дифузната дължина на токоносителите инжектирани в нея.
Фиг. 4.22
Физическо обяснение на усилвателните свойства на транзистора при схема ОБ.
Фиг. 4.23
Е1 е включен в права посока спрямо емитерния преход. Вследствие на това потенциалната бариера в прехода намалява и се създават условия за инжектиране на токоносителите (в случая електрони) от емитера в базата. Електроните инжектирани в базата представляват за нея неосновни токоносители и в следствие на дифузията достигат до колекторния преход. За не основните токоносители обаче полето е прехода не е спиращо, а ускоряващо. По такъв начин електроните навлизат в колектора и образуват колекторния ток IC.
Емитера се наелектризира положително вследствие на напускащите го електрони, защото към него от отрицателния полюс на източника EE постъпват съответен брой електрони.
Като преминават през базата, една малка част от инжектираните електрони рекомбинацията, широчината на базата
w трябва да е по-малка от дифузната дължина L електроните.Колкото базовия ток е по-малък, толкова стойността на колекторния ток ще се доближава до емитерния. т.е. ще бъде по-близък до 1.
4.8. Схема с общ колектор (емитерен повторител)
При тази схема входния сигнал действува между базата и колектора, а изходния се получава между емитера и колектора (фиг. 4.24).
Схемата ОБ усилва по ток. Коефициента на усилване е показан на фиг. 4.24
Фиг. 4.24
Резултатния ток в емитерната верига е:
4
.9. Основни изводи за работа на биполярния транзистор1. Управляващият участък независимо от начина на свързване е емитер - база;
2. Напреженията, които действат в управляващият участък са части от волта;
3. Ако към управляващият участък база-емитер (който е нискоомен) се приложат в права посока по-високи напрежения, транзистора може да се повреди.
4. В нормален усилвателен режим базата на силициевите NPN транзистори е с 0.4 - 0.8 V по-положителни спрямо емитера.
Фиг. 4.25
4
.10. Инверсно включване на биполярният транзисторРядко се използва в практиката тъй като усилването е по-малко
Фиг. 4.26
При дрейфовите транзистори усилването при инверсно свързване е още по-малко.
