Биполярный транзистор – один из двух основных видов транзисторов, изготавливается в виде трёхэлектродного полупроводникового прибора. В каждом из этих проводников имеются последовательно расположенные слои обладающие n-проводимостью (примесной) или p-проводимостью (дырочной). Таким образом, формируются биполярные транзисторы n-p-n или p-n-p типов.
Три электрода в биполярном транзисторе подключены соответственно к каждому из трёх проводящих слоёв.
В момент работы биполярного транзистора происходит одновременная передача разнотипных зарядов, переносимых электронами и дырками. То есть всего задействовано два типа зарядов, потому этот транзистор и носит название «биполярный» («би» означает «два).
Рис.1: Устройство биполярного транзистора.
Соединённый со средним слоем электрод обозначается как «база». Два крайних электрода именуются «коллектор» и «эмиттер». По типу проводимости два этих канала одинаковы. Однако, с целью получения устройства с необходимыми характеристиками, слой, соединённый с эмиттером, делают более легированными примесями, а соединённый с коллектором – наоборот. Как результат, допустимое коллекторное напряжение увеличивается. Учёт уровня обратного напряжения, при котором происходит пробой эмиттерного перехода, не столь важен, поскольку для сборки электронной схемы обычно применяют модели с прямым смещением по эмиттерному p-n-переходу, что превращает схему практически в проводник. Помимо прочего, легированный эмиттерный слой облегчает переход неосновных носителей в центральный проводящий слой, способствуя увеличению коэффициента преобразования по току в схеме с ОБ (общей базой).
Также, в модифицированной конструкции коллекторный p-n-переход по размерам значительно превосходит эмиттерный. Данный параметр обусловлен необходимостью улучшения сбора неосновных носителей, поступающих из слоя базы, и подъёма коэффициента передачи.
Быстродействие биполярных транзисторов зависит от толщины базового слоя: чем он толще, тем медленнее функционирует вся схема. Но крайне истончать этот слой тоже нельзя. При уменьшении толщины уменьшается и временной отрезок, требующийся для прохождения неосновных носителей через тело базового слоя, но вместе с тем происходит значительное уменьшение предельного коллекторного напряжения. Поэтому подбор правильного размера базы осуществляется с учётом обоих этих явлений.
Устройство и принцип действия
Рис.2: Планарный биполярный n-p-n транзистор в поперечном разрезе
Самые первые модели биполярных транзисторов выполнялись с применением металлического германия (полупроводниковый материал). На данный момент для этих целей используется монокристаллический кремний и монокристаллический арсенид галлия.
Рис.3: Монокристаллы кремния и арсенида галлия
Наиболее быстродействующими устройствами являются те, в которых задействован арсенид галлия. По этой причине их наиболее часто применяют как элементы сверхбыстродействующих логических схем и схем сверхвысокочастотных усилителей.
Как уже говорилось выше, структура биполярного транзистора складывается из эмиттерного, базового и коллекторного слоёв с различным уровнем легированности, и каждый слой соединён со своим электродом, представленный омическим (невыпрямляющим) контактом.
Слаболегированный базовый слой транзистора отличается большим уровнем омического сопротивления.
При соотнесении контактов эмиттер-база и коллектор-база можно отметить, что первый уступает по размерам второму.
Подобная конструкция обусловлена следующими моментами:
- Большой коллекторно-базовый переход позволяет увеличить количество передаваемых от базы к коллектору неосновных носителей заряда (ННЗ);
- На момент активной работы К-Б-переход функционирует в условиях обратного смещения, что вызывает сильное тепловыделение в зоне коллекторного перехода, поэтому, чтобы улучшить его теплоотводность приходится увеличивать площадь.
Таким образом «идеальный» симметричный биполярный транзистор фигурирует только в теоретических выкладках, а перенос теорию на практическую базу демонстрирует, что наибольшим КПД обладают именно те модели, которые не обладают симметрией.
В режиме активного усиления в транзисторе происходит прямое смещение Э-перехода (он становится открытым), и обратное смещение К-перехода (он становится закрытым). В противоположной ситуации, при закрытии Э-перехода и открытии К-перехода происходит инверсное включение биполярного транзистора.
Если подробнее рассматривать процесс функционирования транзисторов n-p-n типа, то в первую очередь наблюдается переход основных НЗ (носителей заряда) из эмиттерного слоя по Э-Б-переходу в базовый слой. Часть НЗ, представленных электронами взаимодействует с дырками базы, что приводит к нейтрализации обоих зарядов и сопутствующему выделению энергии. Тем не менее, базовый слой достаточно тонок и легирован достаточно слабо, это увеличивает общее время процесса взаимодействия, поэтому гораздо большее количество эмиттерных НЗ успевает проникнуть в коллекторный слой. Кроме того, сказывается действие силы электрического поля, образуемого смещённым коллекторным переходом. Благодаря этой силе значительно увеличивается количество перетягиваемых из базового слоя электронов.
В результате, значение коллекторного тока практически равняется эмиттерному за вычетом потерь в базовом слое, которыми и исчисляется ток самой базы. Для вычисления значения коллекторного тока используется формула:
Iк = αIэ,
где Iк – коллекторный ток, Iэ – эмиттеный ток, α– коэффициент передачи тока эмиттера.
Спектр значений коэффициента α варьируется от 0,9 до 0,99. Большие значения позволяют производить более эффективную трансляцию тока транзистором. Величина α при этом не определяется тем, какое напряжение демонстрируют К-Б и Б-Э переходы. Как результат, в условиях множества вариантов рабочего напряжения сохраняется пропорциональное соотношение между Iк и Iб. Для нахождения коэффициента данной пропорциональности применяется формула:
β = α/(1 − α).
Значения β могут находиться в диапазоне 10-100. Отсюда можно сделать вывод о том, что для регуляции работы большого коллекторного тока, вполне можно обходиться током малой силы на базе.
Разновидности порядка действия биполярных транзисторов
Нормальный активный режим
Характеристика:
- Открытая эмиттерно-базовая область (смещение по прямому направлению);
- Закрытая коллекторно-базовая область (смещение по обратному направлению);
- Положительный уровень напряжения в эмиттерно-базовой области;
- Отрицательный уровень напряжения в коллекторно-базовой области.
Пункты 3 и 4 приведены для p-n-p транзисторов. Для моделей с n-p-n структурой характеристика будет обратной данной.
Инверсный активный режим
Характеристика:
- Обратное смещение на эмиттерном переходе;
- Прямое смещение на коллекторным переходе.
Остальные пункты как для нормального активного режима.
Режим насыщения
Характеристика:
- Соединение Э-перехода и К-перехода с внешними источниками;
- Прямое смещение эмиттерного и коллекторного перехода;
- Ослабление диффузного электрического поля из-за электрического поля внешних источников;
- Снижение уровня потенциального барьера, что приведёт к ослаблению контроля диффузии основных НЗ, а также смещению большого количества дырок из эмиттерных и коллекторных областей в область базы.
Вследствие последнего пункта происходит формирование эмиттерных и коллекторных токов насыщения (Iэ.нас. и Iк.нас.)
В этом же режиме фигурирует понятие «напряжение насыщения» на переходе К-Э. Благодаря ему можно определить степень падения напряжения для открытого транзистора. Подобным образом напряжение насыщения для перехода Б-Э определяет степень падения напряжения для приведённого участка.
Режим отсечки
Характеристика:
- Смещение по обратному направлению в К-области;
- Смещение Э-перехода по любому направлению, при условии, что оно не превысит пороговый показатель, который отграничивает начало процесса испускания электронов эмиттером в базовый слой.
Уровень приведённого показателя в случае с кремниевым биполярным транзистором достигает 0,6-0,7 Вольт, значит режим отсечки возможен при нулевой силе тока на базе, либо при уровне напряжения менее 0,7 Вольт на Э-Б переходе.
Барьерный режим
Характеристика:
- Соединение базового сегмента и коллектора на коротко, либо с применением малогабаритного резистора;
- Производится подключение резистора к коллекторной или эмиттерной цепи, чтобы он мог задавать ток посредством транзисторного элемента.
Действие в представленном режиме преобразует полупроводниковый триод в аналог диода с последовательным подключением к токозадающему резистору. Каскад, построенный в соответствии с данной схемой,имеет небольшое количество составляющих и почти не зависит от характеристик используемого устройства.
Схемы включения
Для характеристики включающей транзисторной схемы применяются два значимых показателя:
- Величина коэффициента фиксирующего усиление по току, которое вычисляется через отношение тока выхода (Iвых) к току входа (Iвх);
- Значение входного сопротивления (Rвх), которое вычисляется через отношение входного напряжения (Uвх) к току входа (Iвх).
Включение с общей базой (ОБ)
Рис.4: Усилитель с ОБ
Характеристика:
- Вариант схемы, при котором уровень сопротивления на входе является самым низким, а выходе – самым высоким;
- По α (коэффициенту усиления по току) приближается к 1;
- Обладает большим Кu (коэффициентом усиления по напряжению);
- Не происходит инвертации фазы сигнала.
Для определения коэффициента α необходимо вычислить отношение тока коллектора к току эмиттера (иначе – отношение тока выхода к току входа).
Для определения входного сопротивления Rвх следует вычислить соотношение входного напряжения и входного тока (иначе – соотношение напряжения на переходе Э-Б и эмиттерного тока). Значение этого параметра для схем с ОБ достигает максимум 100 Ом (в биполярном транзисторе малой мощности).
Плюсы применения схем включения с ОБ
- Хорошее температурное и частотное значение;
- Высокий уровень допустимого напряжения.
Минусы применения схем включения с ОБ
- Незначительная степень усиления по току (поскольку, значение коэффициента α не достигает единицы);
- Низкий уровень входного сопротивления;
- Работа обеспечивается двумя разными источниками напряжения.
Включение с общим эмиттером (ОЭ)
Характеристика:
- Ток на выходе соответствует току коллектора;
- Ток на входе соответствует току базы;
- Напряжение на входе соответствует напряжению на Б-Э переходе;
- Напряжение на выходе соответствует напряжению на К-Э переходе.
Вычислить коэффициент β (усиление по току) для данной схемы можно, через отношение тока выхода к току входа (тока коллектора к току базы; тока коллектора к разности эмиттерного и коллекторного токов).
Для определения входного сопротивления (Rвх) высчитывается отношение напряжения на входе к току на входе (напряжения на Б-Э переходе к току на базе).
Плюсы применения схем включения с ОЭ
- Большое значение коэффициента β;
- Большое значение коэффициента усиления по напряжению;
- Самый высокий уровень усиления мощности;
- Задействуется только один источник питания;
- Происходит инвертация выходного напряжения (по отношению к входному).
Плюсы применения схем включения с ОЭ
- Температурное и частотное значение гораздо ниже относительно схем включения с ОБ.
Включение с общим коллектором (ОК)
Характеристика:
- Ток на выходе соответствует току на эмиттере;
- Ток на входе соответствует величине тока в области базы;
- Напряжение на входе соответствует напряжению на Б-К переходе;
- Напряжение на выходе соответствует напряжению на К-Э переходе.
Вычисление β показателя осуществляется через отношение тока на выходе к току на входе (тока в области эмиттера к току в области базы; тока эмиттерной области к разнице Э и К тока).
Величина сопротивления на входе определяется по отношению напряжения на входе к току на входе (отношению суммы напряжений на Б-Э и К-Э переходах к токовому показателю на базе).
Схема с данным типом подключения носит название эмиттерного повторителя.
Плюсы эксплуатации схем включения с ОК
- Значительный уровень сопротивления на входе;
- Низкий уровень сопротивления на выходе.
Минусы эксплуатации схем включения с ОК
- Величина показателя, характеризующего усиление по напряжению, не достигает единицы.
Значимые показатели у биполярных транзисторов
- Величина показателя, характеризующего передачу по току;
- Уровень сопротивления на выходе;
- Величина выходной проводимости;
- Величина обратного К-Э тока;
- Время, требуемое для включения;
- Уровень предельной частоты показателя, характеризующего передачу тока базы;
- Величина обратного тока в коллекторной области;
- Величина максимально допустимого тока;
- Уровень граничной частоты показателя, характеризующего передачу тока (для схем с ОЭ).
Существует деление определяющих качеств биполярного транзистора на две основные группы. Первая группа параметров определяет перечень признаков, проявляющихся при работе транзистора, но не зависящих от использованного типа подключения. Сюда относятся:
- Величина показателя усиления по току α;
- Общее сопротивление эмиттера;
- Общее сопротивление коллектора;
- Значение сопротивления на базе по поперечному направлению.
Если говорить о параметрах второй группы, то они меняются согласно использованной схеме включения. Кроме того, необходимо учитывать отсутствие линейности транзисторных свойств, поэтому перечень вторичных характеристик можно применять только по отношению к низкоуровневым частотам и импульсам с малой амплитудой.
Вторичными параметрами считают:
- Уровень сопротивления на входе;
- Значение показателя демонстрирующего обратную связь по напряжению;
- Величина показателя передачи тока;
- Уровень выходной проводимости.
Помимо вышеперечисленных моментов следует учитывать, что высокая частота влечёт за собой снижение ёмкостного сопротивления, снижение силы тока и последующее уменьшение величин коэффициентов α и β. Частотный показатель, вызывающий уменьшение α и β на 3 дБ обозначается как граничный.
Сферы применения
Полупроводниковые триоды могут использоваться для создания:
- Усилителей, каскадов усиления;
- Генераторов сигналов;
- Модуляторов;
- Демодуляторов (детекторов);
- Инверторов (логических элементов) и т.д.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось - это поможет развитию канала