5.2.1.Биполярные транзисторы

Структурный аспект(см.). Биполярный транзистор построен из двух последовательно и встречено включенных взаимодействующих р—n-переходов. Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они расположены на полупроводниковом кристалле так близко, что образуется объединённая область (p или n) двух переходов называемой базой. В результате образуется структура n-p-n или p-n-p. В базе примесей, создающих возможность для протекания тока, на три- четыре порядка меньше, чем в крайних областях. Поэтому основные носители из крайних областей под действием градиента концентрации переходят в область базы, в которой они уже оказываются не основными носителями заряда.

Конечно, из базы её основные носители также переходят в крайние области, но этот поток носителей очевидно много меньше предыдущего и его в расчётах практически учитывают очень редко.

так как основными носителями у транзисторов п—р—n-типа являются электроны, то они являются более быстродействующими по сравнению с транзисторами р—п—р-типа, у которых основными носителями заряда являются дырки, перемещающиеся по транзистору более медленно. Поэтому первые широко применяются в интегральных схемах. Однако транзисторы р—п—р-типа в целом ряде случаев удачно дополняют первые (см. раздел 4.3).

Условные обозначения транзисторов обоих типов в электрических схемах приведены на рис. 4.2, а. Буквы у выводов транзисторов означают: Э — эмиттер, Б — база, К — коллектор. Кружок у транзистора (на рисунке показан только у транзистора р—п—р) означает, что кристалл помещен в корпус. По стандартам допустимы оба обозначения для транзисторов, имеющих корпус.

В интегральных схемах у отдельного транзистора корпуса нет. В книге чаще всего будет применяться изображение транзистора без корпуса.

Плоская модель структуры транзистора (рис. 4.2, б) отражает реальное различие в площадях обоих р—n-переходов. При пояснении работы транзисторов пренебрежем пассивными (неработающими) областями переходов (I на рис.4.2, в).

Функциональный аспект проектирования(см.). При отсутствии внешних напряжений на выводах транзистора на р—n-переходах возникают потенциалы mU_T (здесь введен поправочный коэффициент m, показывающий отличие реального перехода от модели диода Молла-Эберса). Эти потенциалы препятствуют проникновению в базу неосновных для нее носителей заряда — электронов.

Подключение источника напряжения U_бэ, создаёт поток электронов из эмиттера в базу. Благодаря тонкой базе большая часть электронов не рекомбинируют, а достигает коллекторного перехода. Его потенциал mU_T (ключ K1 замкнут, а ключ К2 разомкнут) способствует переходу электронов (но не дырок!) в коллектор, поэтому в цепи коллектора идет ток I_к.

Если сопротивление нагрузки R_н достаточно велико, то напряжение U_н= I_кR_н начнет компенсировать потенциал mU_T и его втягивающее действие на электроны уменьшится. Вследствие этого значительно возрастет рекомбинация электронов с дырками в базе, увеличивая тем самым ток базы I_б и уменьшится ток I_к.

Чтобы сохранить собирающие свойства закрытого коллекторного перехода, последовательно с сопротивлением нагрузки включают источник постоянного напряжения U_п (ключ К1 разомкнут, а К2 — замкнут), который компенсирует напряжение U_н при достаточно большом сопротивлении R_н.

Однако при токах эмиттера и коллектора, превышающих некоторое значение, компенсация U_н может исчезнуть и тогда оба р-n - перехода окажутся открытыми. Это так называемый режим двойной инжекции (насыщения) широко используемый в логических элементах.

Рис. 5.2

Ток эмиттера, как и у обычного диода, описывается формулой (3.2), а ток коллектора связан с ним соотношением

(4.6)

которое для современных транзисторов составляет 0,95—0,999.

У транзистора напряжение и ток связаны очевидными

соотношениями

(4.7)

В связи с тем, что сопротивление открытого перехода невелико, напряжение U_бэ транзистора также мало. Для кремниевых транзисторов оно лежит в пределах 0,4—0,7 В. В то же время напряжение U_н, создаваемое током I_кI_э, может быть значительно больше, поскольку прикладывается к закрытому коллекторному переходу (ясно, что максимальное U_н = U_п ).

Таким образом, изменения напряжения на нагрузке могут значительно превышать изменения напряжения U_бэ. благодаря этому свойству транзисторы нашли широкое применение в электронике.

Транзисторы могут управляться по-разному. Ориентиром здесь могут служить следующие соображения. Если цепь, последовательно с которой включен переход база-эмиттер, высокоомна, то вероятнее всего транзистор работает в режиме с заданным током базы. Согласно уравнению (4.3) получается схема усилителя тока, в которой коллектор транзистора подсоединён к источнику U_п, а эмиттер -- к нагрузке .

Наоборот, при малых сопротивлениях в цепи эмиттера (схема включения транзистора с общей базой)можно считать заданным ток эмиттера (напряжение U_бэ). Выходным же является ток коллектора или эмиттера для первого варианта и ток коллектора для второго варианта. В этих определениях слово общий означает вывод транзистора, который является общим с источником сигнала и нагрузки. В связи с разными входными и выходными токами интересно знать также отношения I_к/I_б и I_э/I_б. Воспользовавшись уравнениями (4.1) и (4.2), получим

. (4.3)

Учитывая близость a_ст к единице, приходим к выводу, что и, значит, когда управляющим является ток базы, можно получить значительное усиление тока.

Охарактеризуем транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, как элемент более сложного электронного устройства. С этой целью два взаимодействующих р—n-перехода представим в виде схемной модели (рис. 4.3), называемой моделью Молла—Эберса. На схеме зависимые источники тока, управляемые током, a_N I₁ и a_I I₂ отражают взаимодействие двух переходов (двух диодов). Наличие в модели источника a_N I₁ было объяснено выше, а появление второго источника связано с тем, что если в схеме на рис. 4.2,в поменять местами источники U_п и U_бэ, то коллекторный переход будет смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Соответственно коллектор станет эмитировать электроны в базу, а эмиттер их собирать. Произойдет инверсия направления токов I_к и I_э. Такой режим работы транзистора называют инверсным, отражая равноправность обоих переходов. Из рис 4.2, б видно, что площадь коллектора больше площади эмиттера. Следовательно, коэффициент передачи тока в инверсном включении a_I меньше (a_I» 0,5—0,8) этого же коэффициента в нормальном включении a_N..

Конденсаторы С_к и С_э отражают наличие зарядов разной полярности у обоих пере­ходов. По механизму образования емкостей их называют барьерной и диффузион­ной, причем, когда переход закрыт, существенную роль играет первая емкость, а когда открыт — вторая.

Выражения для токов электродов согласно схемной модели и уравнению (3.2) имеют вид

; (4.4а)

; (4.4б)

; (4.5а)

. (4.5б)

Рис.4.3

Уравнения (4.4) и (4.5), являются математической моделью транзистора. Их широко применяют для анализа статических и ключевых режимов работы при прямом и инверсном включении транзисторов. Нелинейность уравнений вынуждает вести расчеты на ЭВМ или в простейших достаточно приближённых расчётах по графикам характеристик (рис. 4.4). На рис. 4.4, а, б изображены соответственно входная и выходная характеристики транзистора, в схеме усилителя напряжения и тока (усилителя мощности).

Отметим особенность характеристик. Для линейного режима (при малых приращениях токов и напряжений) напряжение U_бк отрицательно и выполняется условие поэтому слагаемыми в выражениях (4.5), содержащими можно пренебречь. Отсюда сразу же следует

независимость тока коллектора от напряжения U_бк(U_кэ). Реально такая зависимость существует и объясняется конечным обратным сопротивлением r_к закрытого перехода база-коллектор и током термогенерации р—n-перехода .

Рис. 4.4

В режиме насыщения напряжения U_бк > 0 и оба напряжения на переходах прямые. В результате напряжение U_кэ падает (см. первую формулу (4.2)) и становится меньше, чем на каждом из переходов (U_кэ » 0,1—0,35 В), а главное, меньше U_отп = 0,4 В (см. рис. 3.3) отдельных р—n-переходов. Это соотношение между U_кэmin и U_отп широко используется при построении интегральных логических схем, работающих в импульсном режиме (см. 7.1).

В транзисторах с одинаковой площадью р—n-переходов и малыми токами можно еще сильнее уменьшать U_кэ, доводя его до единиц милливольт и увеличивая прямое напряжение на переходе

база—коллектор. Такой режим работы транзисторов находит применение в коммутаторах слабых сигналов.

Для применения транзисторов в линейных усилителях режим их работы должен быть таким, чтобы нелинейные свойства проявлялись возможно меньше. Это получается, если на фоне больших постоянных токов и напряжений действуют небольшие переменные составляющие. Так как именно они являются переносчиками информации в усилителе, можно при исследовании усилительных свойств устройства ограничиться только нахождением соотношений между переменными напряжениями.

Постоянные токи и напряжения рассчитывают отдельно, используя модель Молла—Эберса.

В рабочей точке при малых приращениях переменных в модели (4.4)-(4.5) функции раскладывают в ряд Тейлора и ограничиваются линейными членами. Поэтому для малых пере­менных составляющих применяют малосигнальные (или дифференциальные) линейные модели, состоящие из линейных элементов и отражающие отношения прираще­ний токов и напряжений.

Для расчетов электронных схем широко применяют метод узловых напряже­ний. Поэтому дифференциальные параметры транзистора удобнее всего описать с помощью y-параметров линейного трёхполюсника (рис. 4.5):

Рис. 4.5

; (4.6а)

, (4.6б)

где y₁₁= (i₁/u₁)_u2=0 – входная проводимость; y₂₂ = (i₂/u₂)_u1=0 - выходная проводимость (ее измеряют и часто рассматривают как входную проводимость со сто­роны узлов 2); y₂₁= (i₂/u₁)_u2=0 — передаточная проводимость со входа на выход; y₁₂= (i₁/u₂)_u1=0 — передаточная проводимость с выхода на вход, отражающая обратную связь в транзисторе.

Для приведенных величин равенство нулю u₁ или u₂ означает, что измерение соответствующего параметра производится в режиме корот­кого замыкания по переменному току (постоянные токи через выводы транзистора равны статическим значениям).

У маломощных транзисторов типичные значения y-параметров (в микросименсах) следующие: у₁₁ = 2200; у₁₂ = 0,45; у₂₁ = 27 200; у₂₂ = 7,8.

Схемная интерпретация соотношений (4.6) показана на рис. 4.6,а. Входная и выходная проводимости включены соответственно между входным и общим, выходным и общим узлами. Пере­даточные проводимости у₂₁ и у₁₂ из-за их необратимости представлены в виде коэффициентов у соответствующих зависимых источников тока, управляемых напряжением (ИТУН) (источник тока y₂₁u_бэ - отражает коллекторный ток, управляемый напряжением u_бэ, а источник тока y₁₂u_кэ - базовый ток i_б управляемый напряжением u_кэ). В большинстве практических случаев обратную связь в транзисторах через ИТУН с коэффициентом передачи у₁₂ можно не учитывать (рис. 4.6,б) из-за малости y₁₂ по сравнению с у₁₁. Если к коллектору транзистора подключается база следующего транзистора (низкоомная цепь нагрузки), то чаще всего можно не учитывать и проводимость у₂₂ (рис. 4.6, в), так как у₂₂ < < у₁₁.

Рис.4.6

Схемную модель транзистора (рис. 4.6, в) чаще всего будем применять при ана­лизе его работы в линейных усилителях. Следует также учитывать соотношение между y-параметрами

y₂₁ = h₂₁y₁₁ , (4.7)

где - коэффициент передачи тока транзистора.

Для разных типов транзисторов h₂₁ лежит в пределах от 20 до 200, если не считать специальных транзисторов, у которых h₂₁ может дости­гать нескольких тысяч. В справочных данных по

транзисторам часто приводят так называемые смешанные h-параметры. Между у- и h-параметрами имеется следующая взаимосвязь:

. (4.8)

Скорость протекания процессов в транзисторах и диодах конечна и зависит как от скорости переноса носителей заряда, так и от наличия емкостей у p-n-переходов.

Пусть в схеме усилителя напряжения на вход подаётся ступенька тока I_э . Через открывшийся эмиттерный переход в базу начнут поступать электроны. Сначала, пока электроны не достигли коллекторного перехода, идёт ток базы и ток эмиттера. Спустя среднее время пролёта электронов через базу t_a они достигают коллекторного перехода и начинается нарастание тока коллектора. Процесс нарастания тока коллектора с достаточной точностью аппроксимируют экспонентой. При этом изменяемым во времени параметром является коэффициент передачи тока a транзистора. В операторной форме он запишется как

. (4.9)

Для схемы усилителя напряжения и тока соответственно имеем

, (4.10)

где

Влияние ёмкостей транзистора на время переходных процессов удобней учитывать в конкретных электронных схемах.

Простейшие усилители тока, напряжения и мощности на одном транзисторе

Сначала, используя базу в качестве электрода, на который подается сигнал, получим две возможные схемы (рис. 4.7, а и б). В схеме рис. 4.7, б использован транзистор типа p-n-p, чтобы обеспечить естественное протекание тока эмиттера от источника питания +U_п. В дальнейшем применяются в основном более быстродействующие транзисторы типа n-p-n, поэтому в схеме рис. 4.7, б применим транзистор с другим типом проводимости и преобразуем схему так, чтобы опять ток эмиттера совпадал с направлением, указанным стрелкой (рис. 4.10).

Рис.4.7

Затем, будем подавать сигнал на эмиттер и также образуем две схемы, но так как одна из них нашла практическое применение в специальных схемах так называемого «токового зеркала» она на рис. 4.8 не изображена, а будет показана при описании дифференциального каскада.

Таким образом, образованы три схемы усилителей, в которых транзистор включен параллельно с нагрузкой и при этом один из его электродов является общим с источником сигнала и нагрузкой (схемы с общим эмиттером (рис.4.7, а), с общей базой (рис. 4.8) и с общим коллектором (рис. 4.10)).

Проведем упрощённый анализ работы усилителя (рис. 4.7, а). Сначала рассмотрим его работу при условии, что источник напряжения смещения U_см = 0. Включение нагрузки параллельно транзистору, являющемуся источником тока, управляемым напряжением u_c с внутренним сопротивлением R_c, вызывает перераспределение тока U_п/ R_бал (рис. 4.6, д), между транзистором и R_н .Заменяя управляемую проводимость g_у транзистором, т.е. подставляя вместо g_у его параметр - передаточную проводимость -y₂₁u_бэ, необходимо учитывать, что это можно делать только для линейного режима работы транзистора. Нелинейность входной характеристики приводит к тому, что при напряжениях транзистор будет заперт, а значит и его ток коллектора будет равен нулю, т.е. в уравнении (4.11) g_у= 0. Получающееся напряжение на нагрузке, или что тоже самое, на выходе усилителя будет равно максимально достижимому в данной схеме. Обозначив его через . обратите внимание на то, что входной сигнал имеет низкий уровень .

_{Функциональный аспект в логических компонентах(см.). В логических компонентах рассмотренный режим работы является одним из основных, а этот усилитель принято называть инвертором, т.е. устройством, которое инвертирует уровень входного сигнала и восстанавливает уровень максимального напряжение на выходе. Анализ инвертора в этом режиме очень прост: транзистор удаляется из схемы, так как токи всех его электродов равняются нулю.}

_{Если входной сигнал имеет значение, приводящее к} неравенству , то транзистор войдёт в режим насыщения. В этом режиме переходы база – коллектор и база - эмиттер открыты, а напряжение на выходе инвертора имеет низкий уровень . Заметьте, что отличие этого напряжения от нуля принципиально и связано с разными площадями эмиттерного и коллекторного переходов.

Для быстрых приближённых расчётов статического режима

часто транзистор, находящийся в режиме насыщения, заменяют в модели инвертора одним узлом, объединившем узлы подключения базы, коллектора и эмиттера. В этом случае расчёт, так же как и в предыдущем, очень прост.

При более точном расчёте учитывают падение напряжения на переходе база - эмиттер равное, в данном случае

_{на переходе коллектор - эмиттер Uкэ нас.» 0,3 В. Напряжение сигнала при этом имеет высокий уровень а коэффициент передачи тока для большого сигнала B» h21 может упасть до значения равного единице. В этом случае инвертор работает как усилитель с h21 » 100 только при переходе сигнала на выходе от одного уровня к другому, обеспечивая тем самым малое время переключения.}

_{Таким образом, в логических элементах при низком (£ 0,4 В) и высоком (³ 0,7 В) уровнях сигнала усилитель работает в режиме переключения, а выходное напряжение изменяется с высокого (³ Uп / 2) на низкий уровень (< 0,4 В).}

_{Формально значения выходного напряжения легко находят из уравнения (4.11), положив соответственно gу= 0 и} g_ymax >> g_н + g_бал . Последнее неравенство практически всегда выполняется при g_ymax = 0,02 Сим, которое легко выполняется в современных биполярных транзисторах.

_{Структурный аспект проектирования. Когда требуется линейное изменение масштаба сигнала с коэффициентом масштабирования больше единицы, необходимо схемы рис. 4.7 несколько изменить, чтобы обеспечить их линейный режим работы. эта цель достигается, если переход баз-эмиттер}

_{Рис. 4.8}

_{Схему надо изменить так, чтобы транзистор был всё время открыт, а сигналы не могли изменить напряжение, приложенное к переходу база – эмиттер, меньше уровня Uотп и больше уровня Обычно это достигают или с помощью дополнительного источника смещения (подают Uсм » 0,5В), или с помощью делителя напряжения.}

_{Для линейного режима работы транзистора на входе справедливо уравнение второго закона Кирхгофа}

_,

_{где UбэА – напряжение в рабочей точке А, выбираемое при uc = 0 с целью обеспечения линейного режима работы транзистора.}

Для упрощения расчётов анализируют только режим усиления сигналов. Тогда в вышеприведённом уравнении остаются только переменные составляющие

_или

_и

_{Отсюда легко находим коэффициенты передачи напряжения и тока}

_,

_{где приближение справедливо, если пренебречь переменной составляющей тока, протекающей через балластный резистор. Это можно делать когда сопротивление нагрузки значительно меньше балластного сопротивления. Но именно этого и требуется для эффективного управления потоками энергии, поступающими от источника питания, как было выяснено в начале данного раздела. Максимальное усиление напряжения получается, если y11Rc ® 0:}

_.

_{Входное и выходное сопротивления равны соответственно}

_.

_{Таким образом в усилителе, в котором транзистор включён по схеме с общим эмиттером, можно получить усиления напряжения и тока. Здесь же сразу отметим, что из общих соображений симметрии две оставшиеся схемы включения могут обеспечить одна усиление тока (как будет видно из дальнейшего транзистор здесь включён по схеме с общим эмиттером), а другая усиление напряжения (транзистор включен по схеме с ОБ). Так как любой усилитель усиливает ещё и мощность сигнала на нагрузке, то очевидно в правильно спроектированном усилителе дуальные коэффициенты передачи (Ku и Ki соответственно для ОК и ОБ) должны приближаться к единице. Как это часто бывает не главное свойство устройства повторитель напряжения (тока) используется чаще , чем более полезное свойство. Вспомните, ещё недавно транзисторные радиоприёмники назывались транзисторами, хотя мало кому придет в голову автомобиль назвать гайкой, поскольку как и транзистор она является наиболее часто встречающейся деталью.}