Транзисторите са полупроводникови прибори с помощта на които може да се усилва мощността на електрическите сигнали

Транзисторите са полеви и биполярни.

• 
  В зависимост от използваният полупроводник са : силициеви и германиеви.
  
• 
  В зависимост от технологията на производство: сплавни, планарно – епитаксиални, конверсионни, меза и други.
  
• 
  Според мощността: маломощни (до 0,3W), средно мощни (от 0,3-1,5W), мощни (над 1,5W).
  
• 
  В зависимост от механизма на движение на токоносителите: дифузни, дрейфови.
  

Средната област на кристала се нарича база (В), а останалите две – емитер (Е) и колектор (С), преходите емитерен и колекторен.

Конструкцията на транзистора трябва да отговаря на средните условия.

1. 
   Базата трябва да е извънредно тънка (1-10μm).
   
2. 
   Колекторният преход трябва да е с значително по-голяма площ от емитерния преход
   
3. 
   Емитерната област, трябва да е много по-нискоомна от базовата.
   

N+ ------------- високомен N слой

Р

N

E

При дрейфови транзистори базата се изработва с неравномерна концентрация на примеси- създава се допълнително електрическо поле Е др., което ускорява неосновните токоносители подобрява честотните свойства на транзисторите.

РN индиеви капки с подходящи размери. При стопяването

Е С

РN

преход

Планарно - епитаксиална технология

ІІ. Режими на работа.

1. 
   Нормален активен режим – емитерният преход е включен в права посока, а колектория в обратна посока.
   
2. 
   Инверсен активен режим – емитерният преход е включен в обратна посока, а колекторният в права посока.
   
3. 
   Режим на насищане – емитерният и колекторният преход са включени в права посока транзистора е отпушен.
   
4. 
   Режимна отсечка – емитерния и колекторният преход са включени в обратна посока – транзистора е запушен.
   

1. 
   Когато управляващия електрод е емитерът, а общия електрод- базата, транзистора е свързан в схема с обща база.
   

2. Когато управляващия електрод е базата, а общият електрод – емитер, то транзистора е свързан в схема с общ емитер.

В този случай базовият ток и напрежението между базата и емитера са входни (управляващи), а колекторният ток и напрежението между колектора и емитера – изходни за транзистора.

3. Когато управляващия електрод е базата, а общият електрод е колекторът, транзистора е свързан в схема с общ колектор.

В този случай базовият ток и напрежението между базата и колектора са входни

(управляващи), емитерният ток и напрежението между емитера и колектора – изходни за транзистора. Трябва да се подчертае, че и в трите схеми на свързване

( ОБ, ОЕ, ОК) транзистора може да работи както в активен, така и в ключов режим.

4. Принцип на действие.

Принципът на действие на биполярният транзистор може да се изясни най-лесно, чрез разглеждане на процесите, които протичат в него при поляризиране на двата РN прехода, съответстващо на нормален активен режим.

Поляризирането се извършва от два идеални (с нулево вътрешно съпротивление) източника на постоянни напрежения ИвE и Исв.

Напрежението ИвE е аналогично на напрежението върху отпушен диод (0,5 – 0,7V при Si 0,2 – 0,3V при GE).

Преди да се включат поляризиращите напрежения двата PN прихода се намират в равновесно състояние както PN прехода на диода. При подаване поляризиращите напрежения емитерният преход се включва в права, а колескторният в обратна посока. Започва дифузия на електрони от емитера към базата и на дупки от базата към емитера. През емитера протича ток ІE равен на сумата от тока на електроните IЕr и тока на дупките IEр, чийто технически посоки съвпадат.

За правилната работа на транзистора е необходимо инжекцията на електрони от емитера в базата да бъде много по-голяма от инжекцията на дупки в емитера т.е.

IEr >> IEр

С други думи, необходимо е емитерният ток IE да е съставен почти изцяло от електрони.

Коефициентът Ү е коефициент на инжекцията и е:
РЕ.W

γ≈ 1––––––––– (3.2)

РВ.LE

PE и PB са съответно специфични съпротивления на емитера и базата. LE e дифузната дължина на дупките в емитера, а W е широчината на базата. За да бъде коефициентът на инжекция близък до единицата трябва базата да бъде тънка и слабо легирана. Част от инжектираните в базата електрони среща при своето движени дупки и рекомбинира с тях. Останалата част, която достига обратно включения колекторен прeход и попада под действието на неговото електрическо поле, което за електроните е ускоряващо. Така всички електрони достигнали колекторният преход преминават през него и стигат до колектора.

1

К ≈ ————— (3.3)

1 + 0,5 │— │

L

Където L дифузионната дължина на електроните в базата .

Друг начин за намаляване на възможностите за рекомбинация е да се придаде по-голяма скорост на електроните, инжектирани в базата, за да могат те да преминат по-бързо през нея. За целта базата се легира неравномерно, т.е. по-силно откъм емитера. По този причина плътността на отрицателния обемен заряд в емитерният преход е по-голяма откъм емитера. Създава се електрическо поле, което е ускоряващо за електроните и те придобиват допълнителна дрейфова скорост. Такива транзистори се наричат дрейфови.

Понеже колекторният преход е включен в обратна посока при температури под ОК през него протича обратния ток Iсво, дължащ се на термогенерацията на собствени ( непримесни) токоносители в него и в близост до него. Токът Iсво е аналогичен на обратният топлинен ток при диодите и зависи от температурата по същия начин. По тази причина той се нарича обратен колекторен ток, макар че представлява движение на електрони към колектора и на дупки към базата и следователно неговата посока съвпада с посоката на колекторният ток Iс.

От направените разглеждания следва, че колекторният ток на транзистора е свързан с емитерния по следния начин:

Коефициентът α= γк се нарича интегрален коефициент на предаване на емитерния ток на биполярния транзистор. Той е равен приблизително на отношението между колекторния и емитерния ток, защото токът Iсво обикновено (при невисоки температури) е достатъчно малък и може да се прибегне.

Съвременните транзистори имат α= 0,95÷0,998.

В съответствие със закона Кирхоф базовият ток Iв е

Iв = IE– Ic = (1- α) IE – Iсво (3.5)

Той е значително по-малък от емителния и от колесторния ток и се състои от токове Ieр, (1 – к)IEn и Iсво. Понеже емитерът е силно легиран и със сравнително голяма дебелина, всички дупки, инжектирани от базата, рекомбинират с електрони в него; следователно IEр е също рекомбинационен ток, както и токът (1 – к)IЕn.

Въпреки, че колекторният преход е включен в обратна посока, през него протича почти същия ток както през включения в права посока емитерен преход. Това показва, че съпротивленията на емитерния и колекторния преход се отнасят приблизително както напреженията UвЕ и Uсв, които са съизмерими. Следователно извънредно голямо съпротивление на колекторния преход се е намалило много и се е приближило по стойност до това на емитерния преход. Причината е в близкото взаимно разположение на двата PN прехода и във влиянието между тях.

Интегралният коефициент на предаване на емитерния ток ά и обратния колекторен ток Iсво са едни от най-важните статични параметри на транзистора, характеризиращи неговата работа. Наричат се така, защото се измерват при работа на транзистора в статичен режим.

Статичен режим е този, при който между електродите на транзистора са приложени само постоянни напрежения от източници с пренебрежимо малко вътрешно съпротивление.

Други статични параметри на транзистора могат да бъдат дефинирани, ако за разгледаното включване се изрази коректорният ток Iс като явна функция на базовия ток Iв.

Ά 1

Ic = α(Ic + Iв) + Iсво = ——— Iв + ——— Iсво =

= βIB + (1+β) Iсво = βIВ + IсЕо, (3.6)

където е означено

α

β = ———, (3.7)

IсЕо = ( 1 + β) Iсво. (3.8)

Коефициентът β се нарича интегрален коефициент на предаване на базовия ток, защото при невисоки температури е приблизително равен на отношението между колекторния и базовия ток (формула 3.6).
Iс – Iсво Iс

β= ————— ≈ —— (3.9)

Iв + Iсво Iв
Неговата стойност е много по-голяма от стойността на α и обикновено е между 20 и 400 при различните транзистори.

Например при α= 0,99 от (3.7) се получава β = 99.

Токът IсЕо се нарича обратен колекторен ток при свободна база. От формулата (3.6)се вижда, че това е токът, който протича между колектора и емитера при Iв = 0. Следователно той може да бъде измерен по схемата, показана на 3.6.

Токът IсЕо е (1 + β) пъти по-голям от Iсво.

Обяснението за това е следното. Токът Iсво е

образуван от породени от термогенерацията

собствени (непримесни) токоносители. Една

(по-голямата) част от тях се поражда в базата и

колектора в близост до колекторния PN преход

и попада в него при своето хаотично топлинно движение, а другата част се поражда в самия PN преход. Под действието на електрическото поле на PN прехода електроните се придвижват до колектора, а дупките до базата. Понеже изводът на базата е свободен, в нея се натрупва положителен заряд и емителният преход се поляризира по-силно в права посока. В резултат на това дифузията на електрони от емитера в базата нараства. По-голямята част от електроните (α. 100%) достига колекторния преход и преминава в колектора, а останалата част рекомбинира с дупки в базата. Увеличаването на дифузията от емитера продължава, докато базата електрически неутрална, т.е. докато всички допълнителни дупки в нея рекомбинират. Това става, когато рекомбинационният ток IсEо (1 –α) се изравни с тока Iсво, т.е. при изпълнение на равенството (3.8).

Токът IсЕо е правопропорционален на Iсво и следователно зависи от температурата практически по същия начин.

Схема с общ емитер
Най-голяма приложение в практиката намира схемата с общ емитер (ОЕ), защото има голям коефициент на усилване на по ток, голям коефициент на усилване по напрежение и голям коефициент на усилване по мощност. При нея входният сигнал действа между базата и емитера, изходният сигнал се получава между колектора и емитера.
Фиг4.1.

Коефициентът на усилване по ток β на фиг. 4.1 е показан транзисторсвързан по схема ОЕ. Източникът Е1 е включен в права посока спрямо емитерния прехода източникът Е2 е включен в обратна посока спрямо колекторния преход.

Опитите показва, че при протичане на твърде малък базов ток (например няколко десетки микроампера), в колекторната верига протича колекторен ток от порядъка на няколко милиампера – или малкият базов ток „управлява” далеч по-големия колекторен ток.

За да установим това влияние количествено, с потенциометъра можем да предизвикаме малки изменения на базовия ток ΔIв и да измерим съответните изменения в колекторния ток ΔIс. Отношението но тези две величини ( при неизменно колекторно напрежение) се бележи с буквата β и се нарича диференциален коефициент на усилване на ток на транзистора при схема с общ емитер:

ΔIс

Β = —— (3.10)

Физическо обяснение на усилвателните свойства на транзистора при схема ОЕ. Първото условие, за да усилва биполярният транзистор, е неговата база да бъде тънка и по-точно широчината на базата w да бъде много по малка от дифузната дължина L на неосновните токоносители, инжектирани от емитера в базата. Второто условие е базата да по – вискоомна (Например 100 пъти) от емитера.

На фиг. 4.2-а/ между емитера и колектора е свързан източник със значително напрежение, например 3-12V, и с такава полярност, че колекторният преход е включен в обратна посока. В резултат на това ( ако пренебрегнем малкия остатъчен ток) межем да приемем, че ток във веригата не тече. Ако обаче между емитера и базата включим втори източник в права посока, при сравнително малки напрежения (части от волта) потенциалната бариера в емитерния преход намалява. Това създава условия за инжектиране на токоносители (в случая електрони) през прехода, които поради дифузията преминават през базата и достигат колекторния преход. За тях полето в този преход не е спиращо, а е ускоряващо, при което те попадат в колектора и образуват колекторния ток Iс.

Понеже емитерът инжектира токоносители в базата, а колектора ги привлича, оттук са дошли наименованията емитер (излъчвател) и колектор (събирач).

Токът преминал през емитерния преход IE се дължи на електроните, постъпващи от емитера в базата. Малък процент от тези електрони рекомбинира с дупки в самата база, като образуват малкия базов ток Iв. За намаляване на тази рекомбинация (на фиг 4.2-а/ мястото е отбелязано с кръгче) базата трябва да е тънка.

Базата не се наелектризира отрицателно от това, че една част от дупките рекомбинират, защото през базовия извод я напускат съответният брой електрони. Очевидно колкото базовият ток е по-малък от колекторния, толкова коефициентът β ще е по-голям.

Усилвателните свойства на биполярния транзистор при схема ОЕ могат да се обяснят така: Подаденото на входа малко напрежение намалява потенциалната бариера в емитерния преход, в резултат на което значителен брой токоносители (вследствие на дифузията) навлизат от емитера в базата. Базата има малка дебилина и само нищожна част от тези токоносители рекомбинират в нея, като образуват базовият ток. Останалите токоносители за базата са неосновни, поради което за тях полето в колекторния преход не е спиращо, а ускоряващо. Така те преминават през колекторния преход и образуват колекторния ток, който е много пъти по-голям от базовия.

Фиг.4.3.

Както при NPN, така и при PNP транзисторите сигналът, подлежащ на усилване, трябва да действа винаги на емитерния преход. Затова последният се нарича управляващ преход, а веригата база – емитер се нарича управляваща верига (фиг.4.3). В усилвателен режим емитерният преход е поляризиран винаги в права посока. Поради това напрежението база – емитер е най-често 0,6 -0,8V при силициеви, и 0,1 – 0,3V при германиеви транзистори като базовия ток по принцип е по-малък.

Веригата, в която протича усиленият изходен ток, е колектор – емитер( на фиг.4.3. е показана с по-плътна линия). Тя се нарича още управляваща верига, тъй – като токът през нея е β пъти по-голям от базовия. В усилвателен режим колекторния преход е поляризиран винаги в обратна посока, затова напрежението колектор – емитер може да бъде значително – например5 -100V.
Схема с обща база
При схемата с обща база (ОБ) входния сигнал се подава между емита и базата, а изходният сигнал се получава между колектора и базата. Коефициентът на усилване по ток е винаги по-малък от единица, което означава, че токът в изхода е винаги по-малък от тока в хода (т.е. няма усилване по ток). Схемата ОБ обаче е добър усилвател на напрежение и както ще видим тя има добри честотни свойства. Схемата ОБ е добър усилвател на мощност.

Коефициент на усилване по ток. На фиг.4.4 е показано свързване, чрез което може да се намери коефициентът на усилване по ток при схема ОБ.

Фиг4.4.
Източникът Е1 е включен в права посока спрямо емитерния преход, а източника Е2 – в обратна посока спрямо колекторния преход. С потенциометара можем да подаваме различни напрежения на входа и следователно да пропускаме в емитерната верига различни по стойност токове, като следим промените, които настъпват в колекторния ток.

Опитите показват, че при ниски напрежения (части от волта) емитерния ток има значителна стойност, защото източникът Е1 е включен в права посока. Колекторния ток е силно зависимо от емитерния: ако увеличаваме емитерния, колекторният ток също нараства, но е винаги по-малък от него.

За да установим това влияние количествено, с потенциометъра мажем да предизвикаме малки изменения в емитерния ток ΔIE и да измерим съответните изменения ΔIс на колекторния ток. Отношението на тези две величини ( при неизменно колекторно напрежение) се нарича диференциален коефициент на усилване по ток при схема с обща база:

ΔІс

α = —— (3.11)

Усилвателните качества на бипоряния транзистор при схема ОБ се дефинират по следния начин: всеки ток преминал през управляващия емитерен преход, се усилва α пъти и именно това е колекторния ток.

Ако разгледаме токовете в транзистора при схема ОБ . Когато емитерът не е свързан с нищо ( например, ако на схемата от фиг. 4.4.прекъснем веригата на емитера), в колекторната верига ще протича само обратният колекторен ток Iсво.

Когато между емитера и базата е приложено определено напрежение в права посока, то ще се породи съответен емитерен ток IE (фиг. 4.4). Според разгледаното за схемата ОБ този емитерен ток с гоолемина αIE, който ще се сумира с обратния колекторен ток Iсво. По такъв начин за тока в колекторната верига мажем да напишем:

Iс = αIE + Iсво (3.12)
Това е основна зависимост за схема ОБ. Тя показва, че при схемата ОБ колекторния ток се състои от два компонента:

а). управляем компонент αIЕ;

б). Неуправляем компонент Iсво.

Управляемият компонент зависи от големината на емитерния ток и има стойност αIЕ. Когато казвам, че при схемата ОБ емитерният ток управлява колекторния, имаме предвид управляемия компонент.

Неуправляемият компонент е обратния колекторен ток на транзистора. Той зависи само от качествата на транзистора и от температурата. В сравнение със схемата ОЕ тук неуправляемият компонент е около β пъти по-малък и това, прави схемата ОБ далеч по стабилна при промяна на температурата на прехода.

За даден транзистор коефициентите на усилване по ток α и β са свързани по-между си чрез формулите:

α = —— и β = —— (3.13)

1+β 1 – α
От тези формули можем да намерим единия коефициент, ако знаем другия. Това може да стане бързо с номограма (фиг. 4.5).

—————

Доказва се, че коефициентът α може до се намери 1000 ─ 0,9999

по формулата: 800 ─ 0,999

600 ─ 0,998

w 500 ─ 0,997

α ≈ 1 - │—│² 400 ─ 0,996

L 300 ─ 0,995

където w е широчината на базатаея: 200 ─

L-дифузната дължина на токоносителите, инжектирани в нея. 100 ─ 0,99

Вижда се, че за да има биполярният транзистор голямо 80 ─

усилване, базата трябва да е колкото може по-тънка. 60 ─

Базите на съвременните транзистори имат дебелина 50 ─ 0,98

най-често 1 – 20 µ m. 40 ─ 0,97

Физическо обяснение на усилвателните свойства на 30 ─ 0,96

транзистора при схема ОБ. На фиг. 4.6. е показан 10 ─

условно силициев биполярен транзистор PNP е включен в 8 ─ 0,9

права посока спрямо емитерния преход. Вследствие на това 3 ─ 0,8

потенциалната бариера в прехода намалява и се създават 1 ─ 0,5

условия за инжектиране на токоносители (в случая електрони) ————

от емитера в базата. Електроните, инжектирани в базата, представляват за нея неосновни токоносители и в следствие на дифузията достигат до колекторния преход. За неосновните токоносители обаче полето в прехода не е спиращо, а ускоряващо По такъв начин електроните навлизат в колектора и образуват колекторния ток Iс.

Емитерът не се наелектризира положително вследствие на напускащите го електрони, защото към него от отрицателния полюс на източника EE пастъпват съответен бой електрони.

Като преминат през базата, една малка част от инжектираните електрони рекомбинират, с намиращите се там дупки. За да се намали тази рекомбинация, широчината на базата w трябва да е по-малка от дифузната дължина L на електроните.

Базата не се наелектризира отрицателно от това, че една част от дупките и рекомбинират, тъй като съответния брой електрони през базовия извод излизат на вън, като образуват тока Iв.

Колкото базовият ток е по-малък, толкова стойността на колекторния ток ще се доближава до този на емитерния, т.е. α ще бъде близък до 1. Поради тази причина базата се прави с малка концентрация на основни токоносители. Ако концентрацията на електрони в базата е равна на концентрацията на дупките в емитера, тогава 50% от емитерния ток ще се дължи на дупките, а другите 50% - на електроните. Понеже колекторният ток се определя от дупките, инжектирани от емитера, ясно е, че в този случай колекторния ток ще представлява 50% от емитерния ток, т.е. α = 0,5.

Фиг4.6.

При схемата ОК коефициентът на усилване по напрежение е винаги по-малък от1, обаче тя добре усилва по ток и по мощност. Тази схема има голямо входно съпротивление и малко изходно съпротивление и затова често се използва като стъпало за съгласуване на съпротивленията.

На фиг.7. е показано свързване, с помощта на което се намира коефициентът на усилване по ток при схема ОК. Източникът Е2 е включен в права посока спрямо колекторния преход.

Фиг.4.7.

Кi = ——— = β + 1 (3.14)

ΔIв
Този резултат показва, че коефициентът на усилване по ток при схема ОК е с единица по- голям от този при схема ОЕ.

Усилвателните качества на биполярния транзистор при схема ОК могат да се дефинират така: всеки ток, преминал през базовата верига, се усилва β + 1 пъти и именно това е емитерния ток.

От физическа гледна точка действието на транзистора при схема ОК е близо до това на схема ОЕ, където видяхме, че като премине през управляващия преход, базовият ток IB се усилва β и дава управляемия компонент на колекторния ток βIB. При схемата ОК имаме същото, но след като премине през управляващия преход, базовият ток протича в изходната верига и се добавя към βIB, като управляемият компонент на емитерния ток е βIB + IB = (β + 1)IB.

Неуправляемият компонент в емитерната верига можем да намерим, като прекъснем базовата верига. Този компонент е (β + 1)Iсво.

По такъв начин за резултатния ток в емитерната верига можем да напишем:
IE = (β+1)Iв + (β+1)Iсво

Това основната зависимост за схемата ОК. Тя показва, че при схемата ОК емитерният ток се състои от два компонента :

а).управляем компонент (β+1)Iв;

б).неуправляем компонент(β+1)Iсво.