Биполярный транзистор

Транзистор с тремя чередующимися полупроводниковыми областями электронного (п) или дырочного (р) типов проводимости, в котором протекание рабочего тока обусловлено носителями заряда обоих знаков (электронами и дырками). Различают Биполярные транзисторы р-п-р типа и п-р-п типа.

Принцип действия Биполярного транзистора основан на управлении потоком неосновных носителей заряда, протекающим через среднюю область, которая называется базой транзистора. Электронно-дырочный переход, обычно смещённый в прямом направлении и обеспечивающий инжекцию неосновных носителей заряда в базу, называется эмиттерным, а полупроводниковая область, отделяемая этим переходом от базы - эмиттером транзистора. Переход, смещённый в обратном направлении и обеспечивающий собирание неосновных носителей заряда, инжектированных эмиттером, называется коллекторным, а полупроводниковая область, отделяемая этим переходом от базы - коллектором транзистора. В Биполярном транзисторе эмиттерный и коллекторный переходы расположены параллельно; базовая область имеет толщину (от долей мкм до нескольких десятков мкм), во много раз меньшую, чем её размеры в направлении, параллельном границам переходов. Полупроводниковые области Биполярного транзистора имеют невыпрямляющие контакты, которые соединяются с выводами эмиттера, базы и коллектора.

В качестве основного исходного материала для изготовления Биполярного транзистора используются Се. Однако уже в конце 80-х годов Биполярные транзисторы практически перестали разрабатывать и их доля в ежегодном выпуске транзисторов непрерывно сокращается. Это связано, во-первых, с ограниченностью природных ресурсов Се, а во-вторых, с тем, что по всем параметрам современные кремниевые Биполярные транзисторы превосходят германиевые. Кремниевые Биполярные транзисторы изготовляют в основном методами планарно-эпитаксиальной технологии (исключение составляют мощные высоковольтные Биполярные транзисторы, изготовляемые на основе меза-технологии). Характерные размеры областей базы и эмиттера Биполярного транзистора в направлении, перпендикулярном поверхности полупроводника кристалла, от 0,1 мкм до десятков мкм, а в направлении, параллельном этой поверхности - от 0,8-1 мкм до нескольких мм.

Основная области применения Биполярных транзисторов, как дискретных, так и в составе ИС - генерирование, усиление или преобразование электрических сигналов. К оснновным параметрам Биполярных транзисторов относят коэффициент передачи по току (от нескольких единиц до нескольких сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8-10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэффициент шума (в малошумящих транзисторах 1,5-2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор - база (коллектор - эмиттер) и эмиттер - база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Биполярных транзисторах лежат в пределах от десятков мкА до сотен А, напряжений коллектора - от нескольких В (в ИС) до нескольких кВ, допустимая мощность рассеяния - от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.

В Биполярном транзисторе режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Биполярного транзистора находится в активном режиме, или режиме усиления, а при обратном смещении - в режиме отсечки. При прямом смещении на обоих переходах Биполярного транзистора находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Биполярного транзистора в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, которые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора. Базовый ток во много раз меньше эмиттерного (и коллекторного токов и равен их разности. Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют количество неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, тоесть протекающий через Биполярный транзистор ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через транзистор также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых транзисторов около 0,6 В; для германиевых - около 0,3 В).

Величина прямого порогового смещения определяет границу между активным режимом работы Биполярного транзистора и режимом отсечки. В режиме насыщения из-за инжекции неосновных носителей заряда коллекторным переходом возрастает их количество в активной части базы, а также происходит накопление неравновесных носителей заряда в пассивной части базы. Переключение Биполярного транзистора из режима насыщения в активный режим происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени (необходимого для полной рекомбинации неосновных носителей заряда у коллекторного перехода), который называется временем рассасывания.

Вследствие симметричной структуры Биполярного транзистора может использоваться также в инверсном режиме (полярность смещений на эмиттерном и коллекторном переходах меняется на противоположную по сравнению с обычным - неинверсным режимом). Однако из-за того, что площадь коллекторного перехода у транзисторов значительно больше площади эмиттерного перехода, большая часть неосновных носителей заряда, инжектированных коллектором, не достигает эмиттерного перехода. Выделяют также режим малого сигнала, который соответствует работе транзистора в активном режиме, когда при малой величине входного сигнала параметры транзистора считают постоянными величинами; режим большого сигнала, который характеризуется перемещением рабочей точки транзистора в пределах значительных участков его выходной характеристики.

Схемы включения Биполярного транзистора определяются по электроду, общему для входной и выходной цепей транзистора. Различают схемы включения: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Для схем включения с общим эмиттером и общим коллектором управляющим является базовый ток, а для схемы включения с общей базой - эмиттерный ток. Биполярный транзистор, включённый по схеме с общей базой, характеризуется высоким значением напряжения пробоя (равно напряжению пробоя коллекторного перехода), лучшими частотными свойствами (по сравнению с другой схемами включения). Статический коэффициент передачи по току равен отношению тока коллектора к току эмиттера близок к единице, а усиление по мощности определяется только усилением по напряжению. Недостатком этой схемы включения является необходимость использовать два разнополярных источника питания.

У Биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, статический коэффициент передачи по току равен отношению тока коллектора к току базы и имеет значение от нескольких единиц до нескольких сотен, а коэффициент усиления по напряжению пропорционален сопротивлению нагрузки в коллекторной цепи и достигает нескольких сотен. В усилителе на Биполярном транзисторе, включённом по схеме с общей базой или общим эмиттером, сдвиг фазы на низкой частоте между входным и выходным сигналами составляет 180 градусов, а в усилителе, включённом по схеме с общим коллектором, сдвиг фазы равен нулю. При включении Биполярного транзистора по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель) его статический коэффициент усиления по напряжению близок к единице, а усиление по мощности определяется коэффицинтом передачи тока от базы к эмиттеру, который равен транзистору, включённому по схеме с общим эмиттером, используют в качестве усилителя тока, напряжения или мощности.

Copyright © 2002 - 2017 Ravnopravie.kharkov.ua. All Rights Reserved.