Биполярные транзисторы (структура, принцип и режимы работы). Диффузионные и дрейфовые транзисторы. Основные параметры и статические характеристики. Схемы включения БТ

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода, пригодный для усиления мощности электрических сигналов. В работе биполярных транзисторов используются носители обеих полярностей (дырки и электроны), что и отражено в их названии.

Рис. 3.1. Схематическое и условное графические изображения биполярных транзисторов n-p-n-типа (а) и p-n-p-типа (б)

По порядку чередования p-n переходов транзисторы бывают: n-p-n и p-n-p типов (рис.3.1).

Область транзистора, расположенная между p-n переходами, называют базой. Одна из примыкающих к базе областей должна наиболее эффективно осуществлять инжекцию носителей в базу, а другая - экстрагировать носители из базы.

Область транзистора, из которой происходит инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а переход эмиттерным.

Область транзистора, осуществляющая экстракцию носителей из базы, называют коллектором, а переход коллекторным.

По применяемому материалу транзисторы классифицируются на германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые.

По технологии изготовления транзисторы бывают: сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные. Толщина базы делается значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней. При равномерном распределении примеси в базе внутреннее электрическое поле в ней отсутствует, и неосновные носители движутся вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми. При неравномерном распределении примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле, и неосновные носители движутся в ней в результате дрейфа и диффузии. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

Кроме того, концентрация атомов примесей в эмиттере и коллекторе (низкоомные области) значительно больше, чем в базе (высокоомная область).

Площадь коллекторного перехода больше эмиттерного, что способствует увеличению коэффициента переноса носителей из эмиттера в коллектор.

По мощности, рассеиваемой коллекторным переходом, транзисторы бывают:

малой мощности (Р < 0,3 Вт);средней мощности (0,3 Вт < Р < 1,5 Вт);большой мощности (Р > 1,5 Вт).

По частотному диапазону транзисторы делятся на:низкочастотные (fпр < 3 МГц);среднечастотные (3 МГц < fпр < 30 МГц); высокочастотные (30 МГц < fпр < 300 МГц); сверхвысокочастотные (fпр > 300 МГц).

Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.

Первый элемент — буква или цифра, указывающая исходный материал: Г(1) — германий, К(2) — кремний, А(3) — арсенид галлия.

Второй элемент — буква, указывающая на тип транзистора: Т — биполярный, П — полевой.

Третий элемент — цифра, указывающая на частотные и мощностные свойства прибора (табл.3.1).

Четвертый, пятый (шестой) элементы — цифры, указывающие порядковый номер разработки.

Шестой (седьмой) элемент — буква, указывающая на разновидность транзистора из данной группы. Примеры обозначения транзисторов: КТ315А; КТ806Б; ГТ108А; КТ3126.

Схемы включения и режимы работы биполярного транзистора.В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения. Потенциал общего электрода принимается за нулевой (земля). Отсчет напряжений на остальных электродах производится относительно точки нулевого потенциала. На рис. 3.2, а показана схема включения транзистора с общей базой (ОБ), на рис. 3.2, б — схема с общим эмиттером (ОЭ), на рис. 3.2, в — схема с общим коллектором (ОК).

Рис. 3.2. Схемы включения биполярных транзисторов: с общей базой (а); с общим эмиттером (б); с общим коллектором

В зависимости от полярности внешних напряжений, подаваемых на электроды транзистора, различают следующие режимы его работы.

Активный режим — эмиттерный переход смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный — в обратном направлении (закрыт).

можно построить, используя семейство выходных характеристик.

Характеристики обратной связи. Семейство статических характеристик обратной связи транзистора, характеризующее зависимость Uэб=f(Uкб), при Iэ=const, представлено на рис.3.8.

Характеристика обратной связи имеет отрицательный наклон, что связано с уменьшением ширины базы и тока рекомбинации, а также с ростом градиента концентрации носителей тока эмиттера при увеличении абсолютного значения напряжения Uкб.

Рис. 3.8. Семейство статических характеристика снимается при постоянном токе

Так как характеристик обратной связи в эмиттера, то необходимо уменьшать инжекцию схеме с ОБ носителей из эмиттера в базу посредством снижения Uэб. Характеристики обратной связи можно построить, используя семейство входных характеристик.

Статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ.На рис.3.9 представлена схема включения транзистора в схеме с ОЭ. Семейство входных характеристик U_бэ=f(I_б), при U_кэ=const представлено на рис.3. 10.

Рис. 3.9. Включение транзистора Рис. 3.10. Семейство статических входных

в схеме с общим эмиттером характеристик в схеме с ОЭ

При отсутствии внешнего напряжения Uкэ=0 входная характеристика представляет собой вольтамперную характеристику двух параллельно включенных p-n переходов. Это соответствует режиму насыщения транзистора.

При увеличении напряжения U_кэ коллекторный переход включается в обратном направлении и транзистор переходит в активный режим работы. Увеличение U_бэ приводит к росту рекомбинации носителей в базе, и при некотором напряжении U_бэ ток базы становится равным нулю (I_б=0), а характеристика смещается в сторону оси напряжений.

Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером представлены на рис.3.11 и выражают зависимость Iк=f(Uкэ) при Iб=const. В схемах с ОЭ и ОК управляющим является входной ток — ток базы Iб.

При токе базы, равном нулю, в коллекторной цепи протекает обратный ток, величина которого равна Iкэо, и выходная характеристика представляет собой характеристику обратно-смещенного перехода. Транзистор работает в режиме отсечки в области, расположенной ниже данной характеристики.

При наличии входного тока базы и небольшого напряжения |Uкэ|<|Uбэ| коллекторный переход открыт и транзистор работает в режиме насыщения, ток коллектора резко возрастает, что соответствует крутому восходящему участку выходных характеристик.

Если |Uкэ|>|Uбэ|, транзистор из режима насыщения переходит в активный режим. Рост коллекторного тока замедляется, характеристика идет более полого. Небольшой рост Iк на пологом участке обусловлен:

1) уменьшением ширины и тока базы Iб (уменьшается рекомбинация носителей в базе) при увеличении Uкэ. Для поддержания постоянного значения тока базы необходимо увеличивать Uбэ, что приводит к росту токов эмиттера и коллектора;

Рис. 3.11. Семейство

статических выходных

характеристик в схеме с ОЭ 2) увеличением напряжения на коллекторном

переходе, что приводит к росту ударной ионизации в нем и возрастанию тока коллектора. При больших значениях Uкэ возможен электрический пробой p-n перехода.

Характеристики прямой передачи представлены на рис.3.12, выражают зависимость Iк=f(Iб) при Uкб=const.

Отклонение их от прямой линии определяется нелинейностью изменения коэффициента передачи тока базы h21б от режима работы транзистора. При напряжении на коллекторе, отличном от нуля, характеристики прямой передачи сдвинуты по оси ординат на величину I_кэо.

Эти характеристики можно построить из семейства выходных характеристик.

Рис. 3.12. Семейство статических Рис. 3.13. Семейство статических

характеристик прямой передачи с ОЭ характеристик обратной связи в схеме с ОЭ

Характеристики обратной связи представлены на рис.3.13 и выражают зависимость U_эб=f(U_кэ), при I_б=const.

При небольших напряжениях U_кэ характеристики имеют восходящий участок, соответствующий режиму насыщения транзистора. Пологий участок характеристик обратной связи соответствует активному режиму работы транзистора. Эти характеристики получаются простым графическим перестроением семейства входных характеристик.

3.4. Основные параметры биполярных транзисторов.Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

по току ; (3.1)

по напряжению ; (3.2)

по мощности ; (3.3)

а также:

входное сопротивление

выходное сопротивление

Чтобы определить входные и выходные токи и напряжения при различных схемах включения транзистора, изобразим рисунок 3.14.

Используя приведенные выше выражения и схемы, изображенные на рисунке 3.14, получаем формулы для расчета параметров транзисторов при различных схемах включения.

Рис. 3.14. Схема включения транзистора с ОБ (а), ОЭ (б), с ОК (в)

В схеме с ОБ.

; (3.4)

где α≈1, т.е. схема с ОБ не усиливает ток.

(3.5)

где - сопротивление открытого эмиттерного перехода, составляющее, как уже отмечалось, десятки Ом;

(3.6)

(3.7)

где >>1, так как >> .

, (3.8)

Из полученных выражений видно, что схема с ОБ характеризуется малым входом сопротивлением, отсутствием усиления по току, большим усилением по напряжению и мощности.

В схеме с ОЭ.

(3.9)

где β≈100, т.е. схема с ОЭ значительно увеличивает ток.

(3.10)

(3.11)

(3.12)

т. к. >> , схема дает значительное увеличение напряжения.

(3.13)

Таким образом, схема с ОЭ имеет большее, чем схема с ОБ, входное сопротивление, и усиливает сигнал по току, напряжению и мощности.

В схеме с ОК.

(3.14)

т.е. схема с ОК имеет

(3.15)

(3.16)

т.е.

Таким образом, схема с ОК (схема эмиттерного повторителя) имеет значительно большее значение входного сопротивления, чем любая другая схема включения транзистора, и усиливает сигнал по току и мощности. Большое значение входного сопротивления схемы с ОК предопределяет широкое применение на практике эмиттерного повторителя в качестве согласующего устройства.

Полученные значения параметров транзистора для различных схем его включения представлены в табл. 3.2. Анализ данных свидетельствует об универсальности схемы с ОЭ (см. рис. 3.14 б), обеспечивающей усиление транзистора как по току, так и по напряжению. Этим объясняется широкое применение указанной схемы включения транзистора в нелинейных цепях. Высокие значения β обуславливают также усилительное свойство транзистора по току, заключающееся в возможности малыми входными токами (током I_б) управлять существенно большими токами (током I_к≈βI_б) в выходной (нагрузочной) цепи.

Полевые транзисторы. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом. Полевые транзисторы изолированным затвором с индуцированным и встроенным каналом. Основные параметры и статические характеристики. Схемы включения ПТ.

Полевые транзисторы

4.1. Основные сведения и классификация

Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых управление выходным током I_вых, осуществляется с помощью поперечного электрического поля создаваемого входным напряжением U_вх, путем изменения сопротивления полупроводникового канала, проводящего выходной ток, т.е. I_вых=Su_вх, где S - крутизна. Их работа основана на перемещении только основных носителей заряда, т. е. дырок или электронов, а потому их иногда называют униполярными. Процессы инжекции и экстракции в таких транзисторах не играют основной роли. Основным способом движения зарядов является их дрейф в электрическом поле.

Электрод полевого транзистора, через который втекают носители заряда в канал, называется истоком (И), а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, называется стоком (С). Эти электроды обратимы. С помощью напряжения, прикладываемого к третьему электроду, называемому затвором (3), осуществляют перекрытие канала, т. е. изменяют удельную проводимость или площадь сечения канала.

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим р-n -переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы, представляющие собой структуру металл — диэлектрик — полупроводник). МДП-транзисторы, в свою очередь, делятся на транзисторы со встроенным и индуцированным каналом.

Рис.1

Полевые транзисторы обладают существенными преимуществами по сравнению с биполярными транзисторами. 1. Одним из основных достоинств полевого транзистора является его высокое входное сопротивление (10⁶— 10⁷ Ом — у транзисторов с управляющим p-n-переходом и 10¹⁰ —10¹⁵ Ом у МДП-транзисторов). 2. Они более устойчивы к воздействию ионизирующих излучений, 3. - хорошо работают и при очень низкой температуре вплоть до температуры жидкого азота (—197 °C). 4. - характеризуются низким уровнем шумов. 5. МДП-транзисторы занимают малую площадь на поверхности кристалла полупроводника, а потому широко применяются в интегральных микросхемах с высокой степенью интеграции.

Полевые транзисторы бывают двух разновидностей: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы).

Область полупроводника, по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называют истоком. Электрод, являющийся приемником движущихся основных носителей, называют стоком. Электрод, используемый для управления величиной поперечного сечения канала, называется затвором.

Структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом и с каналом n-типа представлена на рис. 4.1.

Рис.4.1. Упрощенная структурная схема полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой транзистор, затвор которого отделен от канала p-n переходом. Канал может иметь электропроводность как n-типа, так и p-типа. Напряжение источника питания U_си прикладывается к промежутку сток — исток таким образом, чтобы поток основных носителей (в канале n-типа — электроны) двигался от истока к стоку. К промежутку затвор — исток прикладывается напряжение U_зи, запирающее управляющий p-n-переход транзистора. При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется площадь поперечного сечения канала и его сопротивление, а значит, и величина тока, протекающего через канал. В цепи затвора протекает малый обратный ток, в связи с этим необходима малая мощность от источника сигнала в цепи затвора для управления током стока.

Управление толщиной канала осуществляется напряжением U_зи, т.е. электрическим полем, возникающем в запирающем слое, без осуществления инжекции носителей. Поэтому такие транзисторы называются полевыми.

При прямом включении управляющего p-n перехода возникает относительно большой прямой ток затвора и сопротивление участка затвор — исток резко уменьшается, поэтому нецелесообразно применять на практике такое включение.

При увеличении обратного напряжения на затворе запирающий слой p-n перехода расширяется, уменьшая сечение канала. При некотором напряжении на затворе может произойти перекрытие.

Напряжение между затвором и истоком, при котором канал перекрывается, а его сопротивление стремится к бесконечности и ток стока достигает заданного низкого значения, называют напряжением отсечки U_{зи отс}. При приложении U_{зи отс} транзистор должен закрываться полностью, но из-за наличия малых токов утечки U_{зи отс} определяется при заданном малом значении I_с. В справочнике на каждый транзистор указывается ток стока, при котором измерено U_{зи отс}.

Полевые транзисторы с изолированным затвором.У транзисторов с изолированным затвором между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Упрощенная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис.4.5.

Основой транзистора является подложка, в качестве которой используется кремниевая пластинка с проводимостью n- или p-типа с относительно высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки методом диффузии создаются две сильнолегированные области, не имеющие между собой электрического соединения, с противоположным относительно подложки типом электропроводности. На этих областях осаждают внешние омические контакты, которые служат истоком и стоком. Структура транзистора обратима — сток и исток можно менять местами. Оставшаяся поверхность пластинки покрывается слоем. На слой диэлектрика между истоком и стоком наносится металлический электрод, выполняющий роль затвора. Если между стоком и истоком прикладывается внешнее напряжение U_си, то в цепи стока протекает малый обратный ток p-n перехода между подложкой и областью стока.

Рис. 4.5. Упрощенная структурная схема и Рис. 4.6. Структурная схема

словное обозначение МДП-транзистора МДП-транзистора при U_зи, превышающем

с индуцированным каналом пороговое напряжение

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него в глубь полупроводника основные носители заряда (дырки) и притягивая электроны к поверхности. При увеличении положительного напряжения на затворе в приконтактном поверхностном слое полупроводника происходит смена (инверсия) электропроводности (рис.4.6).

Образуется тонкий инверсный слой (канал), соединяющий сток с истоком. Напряжение на затворе, при котором индуцируется канал, называется пороговым напряжением. При его изменении изменяются толщина и электропроводность канала, а соответственно изменяется и ток стока. С удалением от поверхности полупроводника концентрация электронов уменьшается, а на глубине, равной толщине канала, электропроводность становится собственной. Затем идет участок, обедненный основными носителями заряда (p-n переход). Он изолирует сток, исток и канал от подложки.

На вывод подложки относительно истока можно подавать напряжение U_пи, полярность которого противоположна проводимости подложки, что приводит к изменению числа носителей в канале.

Прямое включение перехода исток — подложка недопустимо, ибо в цепи дополнительного управляющего электрода появляется большой ток. В транзисторах, не имеющих вывода подложки, последняя электрически соединена с истоком.

Режим работы полевого транзистора, при котором канал обогащается носителями при увеличении абсолютного значения напряжения на затворе, называется режимом обогащения, а транзисторы с индуцированным каналом называются транзисторами обогащенного типа.

Транзисторы с p-каналом имеют противоположную полярность внешних напряжений U_зи, U_си по сравнению с транзисторами с n-каналом.

Полевые транзисторы со встроенным каналом.На стадии изготовления транзисторов между областями стока и истока создается тонкий слаболегированный слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и указанные области (рис.4.11 а), их условное обозначение на рис. 4.11 б, в.

Рис. 4.11. Упрощенная структурная схема и условные обозначения МДП-транзистора со встроенным каналом

При нулевом напряжении на затворе и наличии внешнего напряжения между стоком и истоком протекает ток стока. Отрицательное напряжение, приложенное к затвору относительно истока и подложки, будет выталкивать электроны из канала, а в канал втягивать дырки из подложки; канал обедняется носителями. Толщина канала и его электропроводность уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. При некотором отрицательном напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки U_{зи отс} происходит инверсия типа электропроводности канала. Области истока и стока оказываются разделенными областью p-полупроводника.

Увеличение положительного напряжения на затворе МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа (рис.4.11 б) вызывает приток электронов в канал из подложки. Канал расширяется, обогащаясь носителями, сопротивление его уменьшается, а ток стока возрастает.

Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение по абсолютной величине напряжения на затворе вызывает уменьшение тока стока, называется режимом обеднения.

Транзисторы со встроенным каналом работают как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения. Часто их называют транзисторами обедненного типа.

Поиск по сайту: