Основные теоретические положения

Рис. 5.1

Биполярный  транзистор  –  это  полупроводниковый  прибор  с двумя р–п-переходами, предназначенный в основном для усиления и генерации электрических  сигналов.  Различают  два  типа  биполярных транзисторов: p – n –р и n – p – n (рис. 5.1). Направление стрелки у эмиттерного электрода совпадает с положительным направлением тока в эмиттерном переходе, а её остриё указывает на область с электронной проводимостью. В зависимости от полярности подаваемых напряжений на переходы транзистора различают следующие режимы его работы.

Активный режим – эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный в обратном направлении. Этот режим работы биполярного транзистора является основным.

Режим насыщения – эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении.

Режим отсечки токов – оба перехода смещены в обратном направлении.

Инверсный активный режим – эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный – в прямом.

Рис. 5.2

На рис. 5.2 представлена схема включения транзистора p – n –р, питаемого от двух источников напряжения U_Э и U_К. В соответствии с активным режимом коллекторный переход здесь смещен в обратном направлении, а эмиттерный – в прямом.

Работа транзистора основана на взаимодействии двух связанных между собой p – n -переходов. При разорванной цепи эмиттера через коллекторный переход проходит незначительный ток, соответствующий току обратносмещенного диода.

При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения происходит инжекция дырок из эмиттера в базу; при этом их концентрация в базе непосредственно за эмиттерным переходом становится больше равновесной концентрации дырок в базе. С другой стороны, концентрация дырок в базе у коллекторного перехода равна нулю из-за обратносмещенного коллекторного перехода. В результате в базе транзистора возникает градиент концентрации дырок, вызывающий их диффузию к коллекторному переходу. Электрическое поле коллекторного перехода производит экстракцию дырок (неосновных носителей) из базы в коллектор, в результате чего возникает коллекторный ток, зависящий от тока эмиттера.

Во время диффузии дырок в базе к коллекторному переходу некоторая их часть успевает рекомбинировать с электронами базы; при этом возникает рекомбинационный ток базы. В результате коллекторный ток определяется разностью между эмиттерным током и током базы. Дня качественной оценки распределения токов в базе вводят коэффициент передачи тока a, определяющий ту часть тока эмиттера, которая поступает в коллектор. Его значение меньше единицы (a = 0,98…0,99). Увеличение коэффициента передачи тока достигается за счет уменьшения тока базы при уменьшении толщины базы и степени ее легирования.

Изменение напряжения на эмиттерном переходе приводит к изменению тока эмиттера, а следовательно, и тока коллектора. Другими словами, транзистор является управляемым прибором, в котором коллекторный ток зависит от тока эмиттера. Несмотря на то, что приращение коллекторного тока меньше соответствующего приращения тока эмиттера, транзистор обладает усилительным эффектом. Действительно, при включении нагрузки в коллекторную цепь мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, значительно больше мощности, затрачиваемой в цепи эмиттера, поскольку напряжение в цепи обратносмещенного коллекторного перехода во много раз превосходит напряжение в цепи эмиттера.

Усилительные свойства транзистора зависят от схемы его включения: от того, какой из электродов транзистора выбран общим для входной и для выходной цепей. На рис. 5.3 представлены три возможных случая включения транзистора типа p – n –р. На рис. 5.3, а приведена схема с общим эмиттером, на рис. 5.3, б – с общей базой; на рис. 5.3, в – с общим коллектором.

Рис. 5.3

Схема с общим эмиттером (ОЭ) обладает усилительными свойствами как по току, так и по напряжению. Входное сопротивление составляет единицы килоом, а выходное – единицы, десятки килоом. Эта схема осуществляет поворот фазы напряжения на 180°.

Схема с общей базой (ОБ) не обеспечивает усиление по току, однако она может работать на предельных частотах транзистора, что особенно важно при использовании ее в диапазоне сверхвысоких частот. Схема обладает малым входным сопротивлением (десятки – сотни ом) и большим выходным (сотни килоом).

Схема с общим коллектором (ОК) имеет коэффициент усиления по напряжению меньше единицы, но при этом усиливает ток и мощность. Её отличительной особенностью является малое выходное сопротивление. Эту особенность схемы часто используют для обеспечения согласования усилителя с низкоомной нагрузкой.

Статический режим работы биполярного транзистора характеризуется семействами статических характеристик, снятыми при постоянном токе в отсутствие нагрузки в выходной цепи. Семейства статических характеристик отражают взаимосвязь токов  (входной и выходной) и напряжений  (входного и выходного) на входе и на выходе транзисторов. Вид характеристик зависит от схемы включения транзисторов. В работе рассматриваются семейства входных и выходных характеристик для схем с общей базой и с общим эмиттером.

Семейства входных характеристик определяют зависимость  при . В схеме с общей базой (рис. 5.4, а) при  связь между током эмиттера  и напряжением  определяется вольт-амперной характеристикой эмиттерного перехода, как в обычном диоде.

Смещение входной характеристики вниз при подаче напряжения на коллектор связано с эффектом модуляции ширины базы. С ростом  происходят уменьшение ширины базы за счет увеличения обеднённой области коллекторного перехода и как следствие этого – увеличение градиента концентрации неосновных носителей в базе, инжектированных со стороны эмиттерного перехода. Это приводит к увеличению тока эмиттера при включении напряжения .                                                                              

а

б

Рис. 5.4

В схеме с общим эмиттером (рис. 5.4, б) входным током является ток базы, который представляет собой сумму рекомбинационной составляющей эмиттерного тока и обратного тока коллекторного перехода. Следует иметь в виду, что часть напряжения  прикладывается к эмиттерному переходу в прямом направлении. Это напряжение наблюдается на входной характеристике  при = 0. Входная характеристика при  соответствует режиму короткого замыкания эмиттера с коллектором. В этом случае входное напряжение приложено к двум переходам и производит инжекцию неосновных носителей в базу с двух ее сторон. Распределение неосновных носителей в базе становится одинаковым по всей ее ширине, что приводит к увеличению вероятности их рекомбинаций и к росту базового тока.

Семейства выходных характеристик определяют зависимости  при . Для схемы с общей базой (рис. 5.5, а) это семейство может быть представлено аналитическим выражением

.

В отсутствие тока эмиттера коллекторный ток определяется незначительным обратным током коллекторного перехода . Эмиттерный ток вызывает смещение характеристики вверх, определяя тем самым семейство выходных характеристик для разных значений . Коллекторное напряжение почти не влияет на ток коллектора. Его уменьшение наблюдается только при изменении полярности коллекторного напряжения, когда транзистор переходит в режим насыщения.

а

б

Рис. 5.5

В схеме с общим эмиттером (рис. 5.5, б) семейство выходных характеристик описывается следующим уравнением:    
                                ,
где  – коэффициент передачи тока базы (его значение намного больше единицы).

Обратный ток  в этой схеме значительно больше соответствующего тока , так как часть напряжения  приоткрывает эмиттерный переход, вызывая дополнительную инжекцию неосновных носителей в базу. По этой же причине влияние напряжения  на выходные характеристики заметнее, чем в схеме с общей базой.

Когда напряжение  становится меньше напряжения , меняется полярность на коллекторном переходе и транзистор переходит в режим насыщения.

При малых переменных сигналах токи и напряжения в транзисторе связаны линейными функциями. Комплексные амплитуды токов и напряжений связаны с h -параметрами следующими соотношениями:       
                                           ;
                                          .
Здесь  и  – входное сопротивление и коэффициент передачи тока при коротком замыкании выходной цепи ( );  и  – коэффициент обратной связи по напряжению и выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи ( ). При измерениях на постоянном токе комплексные амплитуды могут заменяться малыми приращениями соответствующих токов и напряжений.

Представленные параметры зависят, прежде всего, от схемы включения транзистора, а также от частоты, выбора рабочей точки и других факторов. Их можно определить экспериментальным путем из семейства статических характеристик.

Одним из основных параметров транзистора является коэффициент передачи тока . Для схемы с общей базой , а для схемы с общим эмиттером . Зависимость этого параметра от частоты определяет частотные свойства транзистора. Увеличение частоты вызывает уменьшение коэффициента передачи тока транзистора, что связано с несколькими причинами.  На   высоких  частотах  начинает  сказываться  влияние   ёмкостей    p – n -переходов транзистора, емкость эмиттерного перехода  шунтирует сопротивление перехода и на высоких частотах эмиттерный ток начинает проходить через эту емкость, уменьшая тем самым инжекцию носителей заряда в базу транзистора. Ёмкость коллекторного перехода  также шунтирует высокое сопротивление коллекторного перехода и часть коллекторного тока ответвляется из нагрузки в емкость .

Кроме того, на высоких частотах из-за конечного времени пролета носителей через базу транзистора происходит отставание по времени коллекторного тока от тока эмиттера. Фазовый сдвиг между этими токами приводит к росту тока базы и уменьшению коэффициента передачи тока.

Предельной частотой транзистора называется такая частота, на которой модуль коэффициента передачи тока транзистора уменьшается в  раз. Граничной частотой транзистора называется такая частота, на которой модуль коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером равен 1. Граничная частота транзистора в схеме с общей базой  значительно выше граничной частоты для схемы с общим эмиттером . Связь между ними определяется следующим выражением .