Александр Кораблев
В кратком обзоре мы попытались, насколько это было возможно, описать принцип действия биполярных транзисторов и привести примеры их применения. Разумеется, мы не сможем заменить этой статьей тысячи страниц, посвященные данной теме, но надеемся, что и приведенные нами сведения окажутся полезными читателю.
Введение
Датой создания биполярного транзистора считается 23 декабря 1947 г. В этот день транзистор был анонсирован в лаборатории Bell Telephone Laboratories компании American Telephone and Telegraph. Несмотря на то, что исследования велись уже более двух лет, появлению на свет транзистор обязан курьезу. 16 декабря 1947 г. инженер лаборатории Уолтер Браттейн ошибся с полярностью подаваемого на кристалл напряжения и неожиданно получил устойчивый эффект усиления сигнала.
В данном обзоре мы не будем углубляться в физические основы полупроводниковой электроники и сосредоточимся на принципах работы биполярных транзисторов и их использовании в практических схемах. Однако прежде чем переходить к описанию характеристик биполярных транзисторов и их применению в схемотехнике, необходимо вкратце рассмотреть основные понятия теории полупроводников. Для простоты изложения под полупроводником будем подразумевать кремний.
Краткие теоретические сведения
Напомним, что электроны в атоме располагаются только на разрешенных орбитах. Чем ближе орбита к ядру атома, тем сильнее связь электрона с ядром и тем больше энергии требуется, чтобы отделить электрон от атома. Можно сказать, что электроны находятся на разных энергетических уровнях.
Валентный уровень является самым верхним энергетическим уровнем. У многих атомов он заполнен не полностью, поэтому внешний электрон может быть захвачен атомом на этом уровне. Ниже расположена зона проводимости, в которой могут двигаться свободные электроны.
У проводников зона проводимости совпадает с валентной зоной, поэтому электроны в проводниках могут свободно перемещаться. В полупроводниках для перемещения из зоны проводимости в валентную зону электрону требуется придать лишь небольшую дополнительную энергию и электроны могут перемещаться в валентную зону за счет теплового движения. У диэлектриков разница энергий велика, и требуется значительное воздействие внешнего поля для перемещения электронов,в результате чего наступает пробой диэлектрика.
Для создания биполярного транзистора или диода требуется наличие полупроводников двух типов: n-типа и p-типа. Их получают с помощью легирования 4-валентного кремния полупроводниками с разной валентностью. Для получения n-типа используется примесь 5-валентного полупроводника. В этом случае примесь образует 4 связи с кремнием, а 5-й валентный электрон остается свободным и может покинуть валентную зону. Поэтому электрон является основным носителем заряда в полупроводнике n-типа, а 5-валентную примесь называют донором.
Получение кремния p-типа достигается за счет введения 3-валентного полупроводника, называемого акцептором. Он образует 3 связи с кремнием, а свободным остается 4-й электрон атома кремния, который может быть удален из валентной зоны, например при повышении температуры или воздействия внешнего электрического поля. Атом кремния с незаполненной валентной зоной имеет положительный заряд, его называют дыркой.
Атом кремния, в отличие от электрона, не может свободно перемещаться, поэтому когда ниже мы будем говорить о движении дырки, надо понимать, что это всего лишь удобная абстракция для описания. Впечатление о движении дырок создается из-за покидающих атомы кремния электронов, при этом кажется, что перемещаются положительно заряженные дырки, которые являются основным носителем заряда в полупроводнике p-типа.
Если соединить полупроводники n-типа и p-типа, начнется диффузия носителей (диффузионный ток). Электроны будут перемещаться в p-область, а дырки – в n-область (рис. 1а). Частично носители будут рекомбинировать, что приведет к уменьшению подвижных носителей заряда, а частично — расположатся в узкой области, которая называется p-n-переходом (рис. 1б).
Рис. 1. Процесс формирования p-n-перехода. Закрашенные кружки – электроны, незакрашенные – дырки
В области p-n-перехода возникает электрическое поле, препятствующее диффузии носителей, образуется потенциальный барьер (рис. 1в), для преодоления которого основным носителям требуется дополнительная энергия, в то время как неосновные носители, наоборот, будут перемещаться под воздействием электрического поля p-n-перехода – они создают дрейфовый ток. При отсутствии внешнего электрического поля диффузионный и дрейфовый ток уравновешивают друг друга.
Если приложить внешнее электрическое поле, направленное против электрического поля p-n-перехода, потенциальный барьер уменьшится, следовательно, диффузионный ток возрастет. В этом случае внешнее напряжение называют прямым смещением. При изменении полярности внешнего напряжения потенциальный барьер увеличится и возрастет дрейфовый ток: тогда приложенное напряжение называется обратным смещением.
Принцип работы биполярного транзистора
Биполярные транзисторы представляют собой полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Существуют два типа проводимости транзисторов — p-n-p и n-p-n. Схематичное устройство обоих типов, а также их позиционное обозначение показаны на рис. 2. Транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора. На рис. 2 эти области обозначены буквами «Э», «Б» и «К» соответственно, стрелка эмиттера указывает направление протекания тока.
Рис. 2. Транзисторы: а) p-n-p типа; б) n-p-n типа
База транзисторов конструктивно имеет очень малую толщину, обычно не более 10 мкм, поэтому для перемещения основных носителей через базу им требуется небольшая энергия. Опишем принцип действия биполярного транзистора на примере n-p-n транзистора (рис. 3).
Рис. 3. Принцип действия биполярного транзистора
Для включения транзистора к переходу база-эмиттер прикладывается прямое смещение UБ-Э, при этом понижается потенциальный барьер p-n-перехода и основные носители эмиттера электроны легко преодолевают его и инжектируются в область базы за счет энергии, полученной от внешнего поля. В области базы происходит процесс рекомбинации – небольшая часть инжектируемых носителей захватывается основными носителями базы – дырками, образуя ток базы Iб. В процессе рекомбинации электроны переходят в валентную зону дырки, исчезает пара носителей заряда. Основная часть электронов пересекает тонкую область базы, достигает коллекторного перехода и попадает в область коллектора – происходит экстракция носителей. Ток IK1 коллектора связан с током эмиттера IЭ соотношением:
IK1 = α × IЭ, (1)
где: α – коэффициент передачи эмиттерного тока, обычно α = 0.96–0,999.
Помимо коллекторного тока, через коллекторный переход в базу переносятся неосновные носители, дырки. Они образуют обратный ток коллектора IK0, иногда называемый начальным током. Таким образом, суммарный ток коллектора IK определится по формуле:
IK = IK1+ IK0= α × IЭ + IK0. (2)
Как правило, IK1 >> IK0, поэтому обратным током можно пренебречь, в этом случае IK = IK1. Из закона Кирхгофа следует выражение (3) для токов транзистора:
Iб = IЭ – IK. (3)
Опуская промежуточные преобразования, окончательно получаем:
IK = β × Iб, (4)
где: β = α/(1 – α), коэффициент передачи тока базы.
Величина β у современных биполярных транзисторов варьируется в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч единиц. Из формулы (4) следует, что транзистор является усилительным прибором, в котором малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.
Рис. 4. Схемы включения транзистора: а) с общим эмиттером; б) общей базой; в) общим коллектором
Возможные схемы включения транзистора показаны на рис. 4. Как правило, используются 3 схемы включения:
- с общим эмиттером (рис. 4а);
- с общей базой (рис. 4б);
- с общим коллектором (рис. 4в).
Рис. 5. Характеристики транзистора: а) входная; б) выходная
Статическая входная и выходная характеристики транзистора показана на рис. 5 . Входная характеристика представляет собой зависимость напряжения UБ-Э от тока базы IБ или тока эмиттера и схожа с вольтамперной характеристикой диода. В выходной характеристике отражены все режимы работы биполярного транзистора при разных входных токах.
В режиме отсечки управляющий ток отсутствует и транзистор выключен. В активном режиме переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база – в обратном. При этом транзистор находится в линейной области и работает в усилительном режиме, его выходной ток зависит от входного тока. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, выходной ток не зависит от входного, а определяется только сопротивлением нагрузки. Падение напряжения коллектор-эмиттер минимально и не превышает 0,1–0,2 В. Этот режим применяется при коммутации нагрузки, транзистор играет роль ключа, поэтому режим насыщения иногда называют ключевым режимом.
Следует иметь в виду, что на рис. 2 представлено схематичное изображение устройства транзистора, в котором коллектор и эмиттер имеют одинаковый размер, поэтому может показаться, что коллектор и эмиттер можно менять местами. Однако это совсем не так: в качестве примера на рис. 6 показано поперечное сечение транзистора, изготовленного по меза-планарной технологии ( рис. 6а ) и по диффузионно-планарной технологии (рис. 6б).Как видно из рисунка, коллектор и эмиттер транзисторов заметно отличаются размерами. Если при монтаже транзистора монтажник ошибется и перепутает эмиттер с коллектором, параметры транзистора ухудшатся, уменьшатся коэффициент усиления и рабочая полоса частот, увеличится падение напряжения коллектор-эмиттер UК-Э при работе в ключевом режиме.
Рис. 6. Поперечное сечение реального транзистора
Сегодня уже не удастся найти приложения, в которых усилительные схемы строятся целиком на дискретных биполярных транзисторах. Такие схемы используются только в качестве оконечных усилительных каскадов, а предварительное усиление и формирование сигналов реализуется на аналоговых микросхемах. Поэтому мы опустим описания малосигнальных параметров транзистора, но добавим несколько слов о частотных свойствах транзистора.
Инерционность транзистора обусловлена конечной скоростью перемещения носителей через область базы, что, в свою очередь, приводит к задержке при рассасывании и накоплении заряда в области базы. Еще одной причиной ограничения частотных свойств транзистора является паразитная емкость коллекторного перехода. Перечисленные особенности приводят к уменьшению коэффициента усиления транзистора с ростом частоты и уменьшения максимальной частоты переключения транзистора в ключевом режиме.
Примеры использования биполярного транзистора
Приведем несколько примеров использования биполярного транзистора в схемах, реализованных на практике.
Рис. 7. Источник тока для плавающей нагрузки
На рис. 7 показан источник тока для плавающей нагрузки (нагрузка не подключена к земле). Обратная связь с эмиттера транзистора обеспечивает поддержание задающего напряжения UВХ на сопротивлении R1. Следовательно, через это сопротивление UВХ /R1 поддерживается и постоянный ток эмиттера. Ток коллектора определяется из соотношения (3), а ток базы — из соотношения (4). Таким образом, чем больше коэффициент усиления β, тем меньше отличия токов IЭ и IK.
Рис. 8. Двухполярный эмиттерный повторитель
На рис. 8 показан двухполярный эмиттерный повторитель. Напряжение обратной связи снимается с нагрузки, что позволяет поддерживать постоянное напряжение UВЫХ = UВХ на нагрузке и избегать искажений при выходном напряжении операционного усилителя в пределах UБ-Э n-p-n…. UБ-Эp-n-p.
Рис. 9. Коммутаторы нагрузки: а) однополярный; б) двухполярный
На рис. 9 показано использование биполярных транзисторов в схемах однополярного коммутатора (рис. 9а) и двухполярного коммутаторов нагрузки (рис. 9б). Транзисторы в этом случае работают в ключевом режиме. Верхний p-n-p транзистор VT1 (рис. 9б) открывается при отрицательном напряжении управления, нижний n-p-n транзистор открывается при положительном напряжении управления.