Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор, определение и типы

Биполярный транзистор представляет собой трехвыводной полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р-n перехода. В современной электронике биполярные транзисторы уже практически не используются как силовые ключевые элементы. Причиной этого является низкое быстродействие, в сравнении с MOSFET-транзисторами, сравнительно большее энерговыделение, большие мощности управления, сложности параллельного включения и т.д. Поэтому в данной работе биполярные транзисторы будут рассматриваться с целью использования в качестве функциональных элементов (систем обратной связи, усилительных каскадов и т.д.).

Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:

n-p-n;
p-n-p.

Достаточно подробно про внутреннюю структуру транзисторов изложено в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.]. Резюмируя можно сказать, что быстродействие n-p-n транзистора существенно больше быстродействия p-n-p структуры. По этой, а также еще по нескольким причинам n-p-n транзисторов по номенклатуре существенно больше, чем p-n-p транзисторов. Вот такая ассиметрия.

Области использования биполярных транзисторов:

в линейных стабилизаторах напряжения;
в усилительных каскадах электронных схем;
в генераторных устройствах;
в качестве ключевого элемента;
в качестве элемента логических схем;
и т.д. и еще много где применяется, не зря за него Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтер Браттейну нобелевскую премию дали.

Биполярный транзистор имеет два p-n перехода – эмиттерный и коллекторный. База у переходов общая. Биполярный транзистор управляется током.

Условное обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структур показано на рисунке BJT.1.

Условное обозначение n-p-n и p-n-p транзистора

Классификация биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы условно подразделяются на различные типы в соответствии со следующими измерениями параметров:

рабочая частота;
рассеиваемая мощность;
структура (обычный транзистор или составной транзистор Дарлингтона);
и разумеется тип полупроводниковой структуры – n-p-n и p-n-p.

Основные схемы включения биполярного транзистора

Мы не будем вдаваться в подробности внутренней кухни транзистора в сложные хитросплетения взаимодействия мужественных электронов и женственных дырок. Просто рассмотрим транзистор как маленький черный ящик с тремя ножками. Существует три основных способа включения трех ножек транзистора:

схема с общим эмиттером;
схема с общей базой;
эмиттерный повторитель.

Основные способы включения биполярного транзистора

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером – самая распространённая схема включения биполярного транзистора (рисунок BJT.3). Обеспечивает усиление сигнала, как по напряжению, так и по току. Обеспечивает максимальное усиление по мощности среди всех прочих схем включения биполярного транзистора. В данной схеме протекание тока по цепи база-эмиттер I_B (часто просто называемый ток базы) приводит к протеканию тока в цепи коллектор-эмиттер I_C (называемый обычно просто током коллектора). Коэффициент пропорциональности между током базы и током коллектора называется коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером h_FE:

Еще h_FE часто обозначается как β или в советской литературе как h21э.

Важным преимуществом схемы является возможность использования только одного источника питания. Кроме этого, при проектировании схем важно учитывать то, что выходное напряжение инвертируется относительно входного.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Схема с общей базой

Значительно менее распространённое включение биполярного транзистора (рисунок BJT.4).

Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Обеспечивает усиление сигнала, но только по напряжению. Ток практически не изменяется или немного уменьшается. Ток в цепи коллектора связан с током эмиттера I_E коэффициентом передачи ток α близким к единице, но меньшим её:

Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:

где h_FE – все тот же коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Фактически силовой ток течет по цепи коллектор-эмиттер, то есть ток нагрузки полностью втекает в управляющий источник E. Это определяет малое входное сопротивление схемы R_in, фактически равное дифференциального сопротивления эмиттерного перехода

где:

V_BE – напряжение база-эмиттер

Соответственно ток базы мал и равен:

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель потому и называется повторителем, что он не усиливает входной сигнал по напряжению, а «повторяет» его. Или почти повторяет. В схеме сопротивление нагрузки включено так, что напряжение не нем вычитается из приложенного напряжения, чем реализуется отрицательная обратная связь. Схема включения биполярного транзистора в режиме эмиттерного повторителя представлена на рисунке BJT.5.

Усиление достигается только по току:

Соответственно входное сопротивление повторителя равно:

где:

h_FE - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером;

R_load – сопротивление нагрузки.

В реальности выходное напряжение отстает от входного на величину падения напряжения на переходе «база-эмиттер» (приблизительно равное 0,6 В):

Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора

Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером представлена на рисунке BJT.6. Поскольку в схемах включения транзистора присутствуют две цепи (два контура) – цепь управления и цепь нагрузки то имеют место две характеристики - входная и выходная. Входная характеристика (рисунок BJT.6, а) представляет собой зависимость тока базы от напряжения на переходе «база-эмиттер» при различных напряжениях «коллектор-эмиттер». При увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» характеристика смещается вправо – ток базы уменьшается при том же значении напряжения «база-эмиттер». Выходная характеристика представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения «коллектор-эмиттер» при различных токах базы, что образует семейство кривых. С ростом тока базы возрастает и ток коллектора пропорционально значению h_FE (справедливо для малых сигналов). При постоянном токе базы ток коллектора несколько возрастает при увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» (рисунок BJT.6, б).

Основные параметры биполярного транзистора

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-Emitter Voltage) V_CEO – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора. Один из наиболее важных параметров транзистора.
Максимальное напряжение коллектор-база (Collector-Base Voltage) V_CBO – максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора. Это напряжение несколько выше (на 20-30%) чем максимальное напряжение коллектор-эмиттер.
Максимальный постоянный ток коллектора (Collector Current - Continuous) I_C – максимальная величина тока через коллекторный переход в стационарном режиме.
Максимальное обратное напряжение эмиттер-база (Emitter-Base Voltage) V_EBO - максимально допустимое напряжение между управляющего перехода база-эмиттер транзистора.
Ток утечки коллекторного перехода (Collector Cut-Off Current) I_CEX – ток, протекающий через закрытый коллекторный переход под действием приложенного обратного напряжения.
Ток утечки эмиттерного перехода (Base Cut-Off Current) I_BL – ток, протекающий через эмиттерный переход под действием приложенного обратного напряжения. При этом к коллекторному переходу также приложено напряжение.
Коэффициент передачи тока (DC Current Gain) h_FE – усилительная характеристика транзистора. Коэффициент равен отношению следствия - тока коллекторного перехода к причине - току эмиттерного перехода.
Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (Collector-Emitter Saturation Voltage) V_CE(sat) - минимальное напряжение между коллектором и эмиттером в открытом состоянии (в «совсем открытом» состоянии при большом токе базы). Обычно составляет 0,2-0,4 В.
Напряжение насыщения эмиттерного перехода (Base-Emitter Saturation Voltage) V_BE(sat) – напряжение между базой и эмиттером при заданном токе базы.
Максимальная частота работы транзистора (Current Gain - Bandwidth Product) f_T – при этой частоте транзистор уже не усиливает сигнал, и коэффициент передачи тока становится равным единице.
Выходная емкость, емкость коллектор-база (Output Capacitance, Collector-Base Capacitance) C_CBO – емкость коллекторного перехода.
Входная емкость, емкость эмиттер-база (Input Capacitance, Emitter-Base Capacitance) C_EBO – емкость эмиттерного перехода.
Уровень шумов (Noise Figure) NF - уровень собственных шумов транзистора.
Время задержки включения (Delay Time) t_d - время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении.
Время задержки выключения (Storage Time) t_s - время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при выключении.
Время включения (Rise Time) t_r - время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время нарастания тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
Время включения (Fall Time) t_f - время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время спада тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
Максимально выводимая тепловая мощность (Total Device Dissipation) P_D – максимальное количество энергии, которую можно отвести от транзистора, выполненного в том или ином корпусе.
Тепловое сопротивление кристалл-корпус (Thermal Resistance, Junction to Case) R_θJC – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и его корпусом.
Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance, Junction to Case) R_θJA – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и воздушной средой при условии свободной конвекции.
Время включения, время выключения, времена задержки включения выключения – описывают динамические свойства транзистора при тех или иных конкретных условиях.

Комплементарность транзисторов

В ряде типовых схемотехнических решений необходимо одновременное использование транзисторов n-p-n и p-n-p структуры имеющих практически идентичные параметры. Такие транзисторы называют комплементарными. Ниже приведена таблица наиболее широко используемых пар комплементарных транзисторов.

Таблица BJT.1 - Некоторые комплементарные пары биполярных транзисторов
n-p-n	p-n-p
КТ3102	КТ3107
2N3904	2N3906
BC237 (238,239)	BC307 (308,309)
2N4401	2N4403
2N2222A	2N2907 (* почти)
2N6016	2N6015
2N6014	2N6013
BC556 (557, 558, 559, 560)	BC546 (547,548, 549, 550)

Поиск пар комплементарных транзисторов можно осуществлять на ресурсе [http://www.semicon-data.com/transistor/tc/2n/tc_2n_208.html].

Измерение коэффициента усиления по току

Транзисторы в пределах каждого конкретного типа имеют значительный разброс по коэффициенту усиления тока. В случае необходимости точного измерения коэффициента усиления по току использую тестеры с опцией измерения h_FE.

Составной транзистор

Для увеличения коэффициента усиления используется схема включения двух и более биполярных транзисторов. Существует две разновидности схем составных транзисторов: схема Дарлингтона и схема Шиклаи (рисунок BJT.7). Каждая из представленных схем включает управляющий транзистор и силовой, через который протекает основная доля тока нагрузки.

Составные транзисторы Дарлингтона и Шиклаи

В схемы может быть введен дополнительный резистор для изменения рабочих характеристик составного транзистора и улучшения динамических свойств схемы.

Функционально в схеме Дарлингтона резистор обеспечивает протекание постоянного тока через эмиттер управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового транзистора слабо зависит от тока базы.

Ниже представлены расчеты коэффициента передачи тока составного транзистора для схем Дарлингтона и Шиклаи.

Расчет схемы Дарлингтона

Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип;
Определяем по справочному листу коэффициент передачи тока h_FE2 выбранного силового транзистора в соответствии с выбранным током коллектора;
В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
В соответствии с рабочим током базы силового транзистора I_B2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток эмиттера первого транзистора:

Отсюда:

Проводим ряд преобразований:

где:

h_FE1 - коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 - коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 - напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора фактически равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Расчет схемы Шиклаи

Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип.
В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока выбранного силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток коллектора первого транзистора:

Отсюда:

где:

h_FE1 - коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 - коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 - напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Шиклаи. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Функционально в схеме Шиклаи резистор обеспечивает протекание постоянного тока через коллектор управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового p-n-p транзистора слабо зависит от тока базы.