1.6.  БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

Биполярным транзистором (БТ) называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имею­щий два взаимодействующих перехода. Название прибора введено в 1948 г., оно происходит от английских слов transfer (преобразо­ватель) и resistor (сопротивление). Транзистор представляет собой кристалл полупроводника, содержащий три области с поочередно меняющимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают БТ типов p-n-p и n-p-n. Принцип действия БТ различных типов одинаков. Транзисторы получили название биполярных, так как их работа обеспечивается носите­лями зарядов двух типов: основными и неосновными.

Схематическое устройство и условное графическое обозначение p-n-p транзисторов показано на рис. 1.11, а и n-p-n транзисто­ров — на рис. 1.11, б. Одну из крайних областей транзисторной структуры создают с повышенной концентрацией примесей, ис­пользуют в режиме инжекции и называют эмиттером. Среднюю область называют базой, а другую крайнюю область — кол­лектором. Два перехода БТ называются эмиттерным и кол­лекторным.

В зависимости от того, какой электрод имеет общую точку соединения со входной и выходной цепями, различают три способа включения транзистора: с общей базой; общим эмиттером и общим коллектором. Электрические параметры и характеристи­ки БТ существенно различаются при разных схемах включения. На практике БТ широко используются в качестве усилительных приборов. В этом случае к эмиттерному переходу для обеспечения режима инжекции подается прямое напряжение, а к коллектор­ному переходу, работающему в режиме экстракции, — обратное напряжение. Такой режим работы БТ называется активным.

Кроме рассмотренного выше, БТ может работать в следующих режимах: отсечки, когда оба перехода находятся под действием обратных напряжений; насыщения, когда оба перехода находятся под действием прямых напряжений; инверсном режиме, когда к эмиттерному переходу приложено запирающее напряжение, а к коллекторному переходу —отпирающее. Последний режим часто встречается при работе БТ в качестве ключа разнополярных-электрических сигналов.

Технологические типы БТ. Исторически первыми широко распространившимися БТ явились сплавные транзисторы. Упрощенный вид структуры сплавного p-n-p транзистора показан на рис. 16.12, а.

          

  
Рисунок 1.11

     
Рисунок 1.12.

                                                                

Здесь в полупроводниковую пластину с проводимостью n-типа с двух сторон вплавляли полупроводниковый материал с проводимостью p-типа. Процесс вплавления продолжался до тех пор, пока расстояние между образующимися p-областями не становилось достаточно малым (50...60 мкм). Затем полупроводни­ковую пластину укрепляли на металлическом кристаллодержателе и помещали в герметический металлический корпус. Выводы эмиттера и коллектора пропускали сквозь стеклянные изоляторы, закрепленные в корпусе, вывод базы соединяли непосредственно с корпусом. Транзисторы имели малую максимально допустимую постоянную рассеиваемую мощность коллектора (Р_{к max} £ 250 мВт), так как отвод тепла происходит вдоль тонкой полупроводниковой пластины базы, имеющей малую теплопроводность. Максимальная рабочая частота сплавных транзисторов не превышала 30 МГц.

Современные БТ изготавливаются по планарной технологии с использованием методов диффузии и эпитаксии. Упрощенный вид планарного БТ со структурой n-p-n, изготовленный методом трех диффузий, показан на рис 1.12, б. Здесь в полупроводниковую пластину с проводимостью p-типа при первой диффузии вводят донорную примесь на заданную глубину (например, порядка 20 мкм). Таким образом, создают коллекторную область БТ. При второй диффузии в полупроводниковую пластину вводят акцепторную примесь на меньшую глубину (15 мкм) и создают базовую область БТ. При последней, третьей диффузии вводят примеси с высокой концентрацией доноров, создавая эмиттерную об­ласть (n⁺-типа). Выводы БТ располагаются в одной плоскости, поэтому транзистор называется планарным. Это упрощает процесс изготовления и позволяет автоматизировать монтаж транзистора в корпус, а также снизить его стоимость.

Локальное введение примесей в полупроводниковую пластину обеспечивается использованием специальных шаблонов и методов литографии.

               Рисунок 1.13                         Рисунок 1.14

Использование метода диффузии обеспечивает неравномерное распределение примесей в полупроводниковой пластине, что видно из рис. 1.13, а. Здесь 1 — соответствует коллекторной диффузии, 2 — базовой диффузии, 3 — эмиттерной диффузии.                                              

Результирующая характеристика распределения примесей в полупроводнике показана на рис 1.13, б. Существенной особенностью рассматриваемой структуры является неравномерное распределение примесей в области базы и возможность создания тонкой (порядка единиц микрометров) базовой области. Благодаря этому в базе создается ускоряющее поле и время движения неосновных носителей зарядов через базу к коллектору уменьшается, что позволяет создавать транзисторы, работающие на частотах до 1 ГГц и более. Транзисторы, имеющие ускоряющее поле в базовой области, получили название дрейфовых.

Наряду с методом диффузии, на практике при изготовлении БТ широко используется метод создания полупроводниковых слоев путем эпитаксии. Суть этого метода заключается в последовательном выращивании на поверхности полупроводниковой и диэлектрической пластины слоев с заданным типом проводимости. При эпитаксии получают слои с равномерным распределением примеси

Статические характеристики БТ. Статические характеристики отражают зависимость между постоянными токами и напряже­ниями на входе и выходе БТ. Полное представление о свойствах БТ можно получить, воспользовавшись двумя семействами харак­теристик: входных и выходных. Для схемы с общей базой входные ( и выходные ) характеристики показаны на рис. 1.14, а, б. Как видно из рис. 1.14, а, входные характеристики имеют вид вольтамперной характеристики диода при прямом включении. С увеличением отрицательного напряже­ния U_КБ наблюдается слабо выраженное смещение входных характеристик влево. Это объясняется тем, что электрическое поле, создаваемое напряжением U_КБ почти полностью сосредото­чено в коллекторном переходе и оказывает незначительное влияние на прохождение зарядов через эмиттерный переход.

Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой (рис. 1.14, б) представляют собой пологие, почти прямые линии. Это характеризует высокое выходное сопротивление выходной цепи переменному току           (R_КБд = DU_КБ/DI_Э). При таком включении даже при DI_КБ = 0 происходит явление экстрации и ток коллектора может иметь большое значение, зависящее от тока эмиттера I_Э.

При I_Э = 0 характеристика начинается в начале координат и имеет вид обратной ветви p-n перехода. Выходной ток I_КБ0 в этом случае является неуправляемым током коллектора. При I_Э ¹ 0 выходной ток близок к входному. Однако, если меняется поляр­ность напряжения U_КБ, то он резко уменьшается и достигает нуля при значениях U_КБ порядка десятых долей вольта. В последнем случае коллекторный переход работает в прямом направлении. Ток через этот переход резко возрастает и идет в направлении, обратном нормальному рабочему току, что может вывести транзистор из строя. Поэтому на данном участке характеристики показаны штриховыми линиями, они не являются рабочими и обычно на графиках не приводятся.

На рис. 1.15, а, б, показаны соответственно семейства входных и выходных характеристик для схемы с общим эмиттером. Статическая входная характеристика показывает зависимость .С ростом отрицательного напряжения U_K3 наблюдается сдвиг входных характеристик вправо. При увеличе­нии U_K3 растет обратное напряжение, приложенное к коллектор­ному переходу и почти все подвижные носители заряда быстро втягиваются в коллектор, не успев рекомбинировать в базе. Поэтому ток базы уменьшается при увеличении напряжения U_КЭ, что видно из рис. 1.15, а.

Значения входных токов в схеме с общим эмиттером гораздо меньше, чем в схеме с общей базой. Следовательно, входное сопротивление в схеме с общим эмиттером существенно больше, чем в схеме с общей базой.

Принцип работы БТ. Работу БТ рассмотрим на примере структуры n-р-n, включенной в схеме с общей базой (рис. 1.16).

К коллекторному переходу приложено обратное напряжение. Пока ток I_Э = 0, в транзисторе протекает ток неосновных носителей заряда через коллекторный переход. Этот ток называют начальным коллекторным. При подключении к эмиттерному переходу прямого напряжения U_БЭ в транзисторе возникает эмиттерный ток, равный сумме дырочной и электронной состав­ляющих: I_Э = I_Эp + I_Эn.

Если бы концентрация электронов и дырок в эмиттере и базе была одинаковой, то указанные выше составляющие эмиттерного тока были равны. Но в транзисторе создают эмиттерную n⁺-область с существенно большей концентрацией электронов по сравнению с концентрацией дырок в базовой области. Это приводит к тому, что число электронов, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число дырок, движущихся в противоположном направлении. Следовательно, почти весь ток эмиттерного перехода обусловлен электронами.

  

Рисунок 1.15   

                                                       

Рисунок 1.16

Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции g_и. Для БТ со структурой n-p-n он равен отношению электронной составляющей эмиттерного тока к общему току эмиттера: g_и = I_Эn/I_Э. У современных транзисторов g_и » 0,999.

Инжектированные через эмиттерный переход электроны прони­кают вглубь базы, для которой они являются неосновными носителями. В базе происходит частичная рекомбинация электро­нов с дырками. Однако если база тонкая, то преобладающая часть электронов достигает коллекторного перехода, не успев рекомби­нировать. При этом электроны попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода. В результате экстрации электроны быстро втягиваются из базы в коллектор и участвуют в создании тока коллектора.

Малая часть электронов, которая рекомбинирует в области базы с дырками, создает небольшой ток базы I_Б. Ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: I_Б = I_Э - I_К. Таким образом, в рассматриваемом режиме (называемом активным) через БТ протекает сквозной ток от эмиттера через базу к коллектору. Незначительная часть эмиттерного тока ответвляется в цепь базы.

Для оценки влияния рекомбинации носителей заряда в базе на свойства БТ в активном режиме используют коэффициент переноса носителей в базе n_п. Этот коэффициент показывает, какая часть инжектированных эмиттеров электронов достигает коллекторного перехода: n_п = I_Kn/I_Эn. Коэффициент переноса n_п тем ближе к единице, чем тоньше база и меньше концентрация дырок в базе по сравнению с концентрацией электронов в эмиттере.

Важнейшим параметром БТ является коэффициент передачи тока эмиттера: a_б.т. = g_иn_п. Так как g_и и n_п меньше единицы, то коэффициент передачи тока эмиттера также не превышает единицы. Обычно a_б.т. = 0,95...0,999. В практических случаях коэф­фициент a_б.т. находят как отношение приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе:

.                      (1.12)

Поскольку в цепи коллектора, кроме тока, обусловленно­го экстракцией электронов из базы в коллектор, протекает обратный ток коллекторного перехода I_КБ0, то полный ток коллектора

.             (1.13)

Однако учитывая, что ток I_КБ0 незначителен, можно считать I_к » a_БТI_Э. Из последнего выражения видно, что БТ является прибором, управляемым током: значение коллекторного тока зависит от входного эмиттерного тока. Если рассматривать БТ как прибор с зависимыми источниками, то он близок по свойствам к источнику тока, управляемому током (ИТУТ). В свою очередь, входным током I_э управляет прямое напряжение U_Бэ. Как видно из потенциальной диаграммы, показанной на рис. 1.16, б, с ростом прямого напряжения уменьшается потенциальный барьер эмиттерного перехода. Это сопровождается экспоненциальным ростом тока эмиттера I_э. К коллекторному переходу в ак­тивном режиме прикладывается большое запирающее напря­жение. Как видно из потенциальной диаграммы, это приво­дит к значительному увеличению потенциального барьера кол­лекторного перехода. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение в цепи эмит­тера, а токи в цепях эмиттера и коллектора примерно равны, мощность полезного сигнала на выходе схемы оказывается существенно большей, чем на входе. Это и открывает широкие возможности использования БТ в качестве усилительных при­боров.

Наилучшим образом усилительные свойства БТ проявляются при включении в схеме с общим эмиттером, показанной на рис. 1.17.

Основной особенностью схемы с общим эмиттером является то, что входным током в ней является ток базы, существенно меньший тока эмиттера. Выходным током, как и в схеме с общей базой, является ток коллектора. Следовательно, коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером равен отношению приращений тока коллектора и приращению тока базы. Этот коэффициент принято обозначать b_БТ.. Нетрудно найти и соотно­шение между коэффициентами a_БТ и b_БТ:

.   (1.14)

Если,  например,  a_БТ = 0,99,  то   b_БТ = 0,99/(1 - 0,99) = 99.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером нетрудно достигнуть больших значений коэффициента усиления по току. А так как при таком включении можно получить усиление и по напряжению, то достигаемый коэффициент усиления по мощности К_p =К_iК_u значительно превосходит значения, достигаемые при других способах включения (с общей базой и с общим коллекто­ром). Это и объясняет широкое применение БТ, включенных по схеме с общим эмиттером.

Входное сопротивление БТ в схеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой. Это следует из очевидного неравенства DU_ВХ/DI_Б >> DU_ВХ/DI_Э.

Представляет интерес определение зависимости выходного тока от входного для схемы с общим эмиттером. Используя приведенное выше выражение для полного тока коллектора, заменим в нем значение тока I_Э на его составляющие I_к + I_б  и выполним элементарные преобразования:

,  (1.15)

где I_КБ/(1-a_БТ) = I_КЭ0 - начальный коллекторный ток  в схеме с общим  эмиттером при  I_Б = 0.

В схеме с общим коллектором входной сигнал подается на участок «база — коллектор». Входным током является ток базы, а выходным - ток эмиттера. Поэтому коэффициент передачи тока для этой схемы

.

При таком включении БТ обеспечивает большие значения коэффициента передачи тока и имеет высокое входное сопротив­ление, однако коэффициент передачи напряжения не превышает

единицу.

Дифференциальные параметры БТ. Биполярный транзистор удобно представить активным нелинейным четырехполюсни­ком, изображенным на рис. 1. 18, а, у которого выходной ток I₂ и входное напряжение U₁ зависят от входного тока I₁ и выходного напряжения U₂. В этом случае четырехполюсник описывается системой уравнений в H-параметрах.

                           

                         Рисунок 1.17                                       Рисунок 1.18

Переходя   к   мгновенным   значениям   напряжений   и   токов, уравнения  можно  представить  в  виде:

При малых изменениях токов и напряжений приращения входного и выходного напряжений и токов можно найти из следующих уравнений:

                  (1.16)

Следует учитывать, что Н-параметры, указанные  в формулах 1.16-1.18 имеют комплексный характер.

Частные производные в уравнениях (1.16) являются дифферен­циальными  H-параметрами  транзистора:

               (1.17)

Если значения переменных напряжений и токов транзистора существенно меньше значений постоянных напряжений и токов транзистора, то приведенные выше уравнения можно записать в виде:

    (1.18)

Здесь I_вх = I₁ и   U_вых = U₂ — постоянные составляющие соответст­венно  входного  тока  и  выходного  напряжения.

Каждый   из   параметров,   приведенных   в   уравнениях,   имеет определенный  физический смысл:  — входное сопротивление  транзистора  при   коротком  замыкании  на  выходе          (u_вых = 0);   — коэффициент  обратной  связи,  характеризующий  влияние  выходного  напряжения  на  режиме  разомкнутой входной цепи транзистора (u_вх = 0);  — коэффициент усиления  по  току  при  u_вых = 0;  — выходная   проводимость   транзистора   при разомкнутой  входной  цепи    (i_вх = 0).

Указанные параметры можно определить по статическим харак­теристикам БТ, используя вместо частных производных соответству­ющие им малые приращения токов и напряжений. Значения H-пара­метров зависят от схемы включения БТ. В справочниках обычно при­водят значения H-параметров для БТ, включенных по схеме с общим эмиттером. Для них приняты обозначения H_{11 э}, H_{12 э}, H_{21 э}, H_{22 э}.

Используя H-параметры, нетрудно представить формальную эквивалентную схему БТ в виде рис. 1.18, б, справедливую для лю­бой схемы включения транзистора. Очевидно, что это одна из моде­лей приборов с зависимыми источниками.

Система H-параметров называется гибридной, так как одни H-параметры определяются в режиме холостого хода на выходе (i_вх = 0), а другие в режиме короткого замыкания на выходе (u_вых = 0). При этом параметры имеют разную размерность. Рассмотренные параметры широко используются при расчетах низкочастотных транзисторных схем.