Биполярные транзисторы
Транзистор (transistor - от английских слов transfer – переносить и resistor – резистор) - электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три (или более) электрода (вывода) (но не ног), предназначен для усиления, генерирования, преобразования электрических колебаний. Изобретен американскими учеными У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином в 1948 году. Хотя биполярные транзисторы появились первыми, в настоящее время их доля на рынке полупроводниковых приборов составляет около 5 %.
Открытие транзистора было случайным. В 1946 г. в Bell Laboratories была организована группа, занимавшаяся фундаментальными исследованиями в области полупроводников, одним из руководителей которой был Уильям Шокли.
Сотрудники группы пытались создать полевой транзистор. После
не очень успешных результатов по изучению эффекта поля в напылен-
ных тонких пленках Ge и Si было решено попробовать реализовать идею полевого транзистора в тонких инверсионных слоях на поверхности этих полупроводников. Уолтер Браттейн и Джон Бардин (теоретик,
обсуждавший получаемые в группе результаты) начали исследовать
структуры с двумя контактами, созданными на поверхности полупро-
водника. Один из контактов в этой структуре использовался для управ-
ления толщиной инверсионного слоя, а с помощью другого (точечного)
контакта измерялся ток носителей, возбуждаемых в этом слое. Пока в
качестве первого контакта использовалась капля электролита, ток во
втором контакте изменялся в соответствии с ожидаемой зависимостью
для толщины инверсионного слоя.
(ИНВЕРСИОННЫЙ СЛОЙ в полупроводниках, слой у границы полупроводника, в котором знак носителей заряда противоположен знаку основных носителей заряда в объёме полупроводника. Образуется у свободной поверхности полупроводника или у его контакта с диэлектриком, металлом или другим полупроводником вследствие воздействия на поверхность нормального к ней электрического поля, которое, согласно зонной теории, приводит к изгибу энергетических зон вблизи поверхности и образованию минимума потенциальной энергии (потенциальной ямы). Если, например, в полупроводнике р-типа искривление зон таково, что уровень Ферми EF становится ближе к дну зоны проводимости Ес, чем к потолку валентной зоны Ev, то вблизи поверхности образуется инверсионный слой, в котором концентрация электронов больше концентрации дырок.)
Однако когда электролит был заменен на металл, обнаружилось, что при подаче прямого смещения на контакт вместо уменьшения ток во втором контакте увеличивался. Браттейн и Бардин поняли, что этот неожиданный эффект связан с инжекцией носителей первым контактом и собиранием их вторым контактом. После нескольких экспериментов они нашли конструкцию,
в которой этот эффект был максимален. Это и был точечно-контактный
транзистор.
Первые транзисторы были биполярными (т.е. двухполярными) p-n-p и n-p-n. Первым типом биполярного транзистора был точечный (точечно-контактный) транзистор, созданный в 1947 г. Этот транзистор представлял собой пластинку n-Ge, называемую базой (от англ. base — основание), на поверхности которой создавались два точечных контакта из вольфрама или фосфористой бронзы, расположенные рядом на расстоянии около 50 мкм
(см. рис. 3.1, а). Ha один контакт, называемый эмиттером (от англ. emit — испускать), подавалось положительное (прямое) смещение относительно базы, а на другой контакт, называемый коллектором (от англ. collect — собирать), — отрицательное (обратное) смещение. Ток в цепи эмиттера оказывал сильное влияние на ток в цепи коллектора. Так, при достаточно
Рис. 3.1 Точечный транзистор- а; идеализированная схема плоскостного транзистора – б.
высоком напряжении на коллекторе (5-25 В) в таком транзисторе удавалось получить коэффициент усиления по току α = dI к/ dI э = 1…2.
Возможность использования точечного транзистора для усиления
электрических сигналов основана на существенном различии дифферен-
циальных сопротивлений эмиттерного и коллекторного переходов в
рабочем режиме. При подаче в цепь эмиттера небольшого входного пере-
менного напряжения из-за низкого дифференциального сопротивления
эмиттерного перехода при прямом смещении (сотни Ом) удастся получить большие изменения тока эмиттера. Этот ток порождает изменение тока в коллекторной цепи, в α раз превышающее изменение тока эмиттера. Поскольку дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, работающего при обратном смещении, велико (10-100 кОм), в цепь коллектора можно включить сравнимое с ним сопротивление нагрузки и получить на нем выходное напряжение, в сотни раз превышающее входное напряжение.
Работа точечного транзистора может быть упрощенно объяснена
следующим образом. В области контакта металла со слабо легирован-
ным полупроводником n- типа образуются р-п- переходы. Эмиттерный
р-n- переход, смешенный в прямом направлении, инжектирует дырки в
базу транзистора. Если расстояние между эмиттером и коллектором
меньше или порядка длины свободного пробега (диффузионной длины) носителей заряда в этой области (обычно b << L), то часть инжектированных дырок, диффундируя в базе, достигает области коллектора и затягивается полем коллекторного р-п -перехода. Эта упрощенная схема, однако, не объясняет, почему в точечных транзисторах обсуждаемой конструкции лишь малая доля инжектированных дырок может достигнуть коллекторного перехода. Считается, что в работе точечного транзистора заметную роль играет дрейф инжектированных в базу носителей в электрическом поле, создаваемом протекающим коллекторным током (база транзистора намеренно делается из достаточно высокоомного германия с ρ = 5-10 Ом∙см), а структура коллекторного перехода (создаваемого формовкой) представляет собой п-р-п-р- структуру, в которой происходит внутреннее усиление коллекторного тока. Из-за несовершенства конструкции и высокого уровня собственных шумов точечные транзисторы были полностью вытеснены плоскостными транзисторами в середине 50-х годов. (Лебедев)
Чтобы увеличить коэффициент собирания носителей (то есть долю инжектированных в базу носителей, которая движется в сторону коллектора) Шокли в 1949 г. предложил конструкцию и развил теорию плоскостного транзистора, в котором эмиттерный и коллекторный р-п- переходы расположены параллельно и разделены тонким слоем базы (см. рис. 3.1, б).
Идея конструкции плоскостного транзистора состоит в следующем. Смещенный в прямом направлении эмиттерный р-п- переход осуществляет одностороннюю инжекцию неосновных носителей в базу транзистора. Неосновные носители диффундируют через базу, толщина которой выбирается много меньше диффузионной длины, достигают коллекторного
р-п -перехода, на который подано обратное смещение, и, затягиваясь его электрическим полем, попадают в область коллектора. Если база транзистора достаточно тонкая, то большая часть инжектированных носителей проходит базу без рекомбинации и лишь небольшая их часть рекомбинирует в базе. Ток в цепи базы I Б складывается из тока этих рекомбинирующих носителей,
Интересно, что первая статья Шокли была отклонена редакцией Physical Review и была опубликована в «ведомственном» журнале Bell Systems Technical Journal. Тем не менее, предложенная идея оказалась очень плодотворной. Первые опытные образцы п-р-п -транзисторе были созданы в Bell Laboratories уже в 1950 году, а транзисторы со структурой р-п-р - в 1951 году. Промышленный выпуск транзисторов был начат фирмой Texas Instruments в 1952 г., и транзисторы из Ge и Si появились на рынке уже в 1954 г. Сразу же, то есть в 1954 г.. было выпущено и первое бытовое устройство на транзисторах — радиоприемник Regency TR-I, а первые компьютеры на транзисторах (TRIDAC, изготовленный в Bell Laboratories, и ТХ-О, изготовленный в Lincoln-laboratory, MIT) появились в 1955 г.у За исследования в области физики полупроводников и открытие транзисторного эффекта Браттейн, Бардин и Шокли были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 г.
Слово «двухполярные» или «биполярные» означает, что в областях (слоях) транзистора образованы два типа проводимости, два типа носителей, дырки и электроны; для области p – дырки, положительно заряженные, для области n – электроны, отрицательно заряженные, причем электроны в несколько раз подвижнее, чем дырки (в 5-6 раз), поэтому в технике более часто используют транзисторы n-p-n (рисунок 3.2, в; г), так как они высокочастотнее, благодаря повышенной подвижности. При этом имеют ввиду, что основные носители для области p – дырки, для области n - электроны, неосновные носители для области p – электроны, для области n – дырки.
а) б) в) г)
Рис. 3.2 Структура и обозначение: а,б - p-n-p транзистора; в,г - n-p-n транзистора
Средняя часть этих биполярных транзисторов называется базой, верхняя часть – коллектором, нижняя часть – эмиттером. Наиболее часто используется 3 вида технологии для образования примыкающих друг к другу областей: сплавная, диффузионная, эпитаксиальная. При сплавной технологии производится сплавление областей, при диффузионной технологии (от латинского diffusio – распространение, растекание) в полупроводник диффузируют примеси, образующие последовательно p и n области, сначала одну, потом другую, затем третью. Ничтожное количество примесей достаточно для образования p и n областей. Процесс производят в вакуумных камерах при температурах несколько сот градусов. Необходима высокая точность диффузирования, это недостаток, поэтому следующий вариант эпитаксиальное выращивание (от греческого epi-на, над, при и taxis – расположение, порядок), когда поочередно на полупроводник осаждаются тонкие плёнки эмиттера, базы, коллектора. Поэтому процесс проще и более точные результаты. Если используется плоскость, пластина, то название – планарная технология. Известны различные методы эпитаксиального выращивания, температура 800-15000 С, например ГФЭ, ЖФЭ, и др (газофазная эпитаксия, жидкостная).
В историческом плане первыми были p-n-p транзисторы, позже – n-p-n.
Различают 3 варианта работы транзисторов – аналоговый (линейный, усилительный), инверсный и импульсный (отсечки и насыщения). Для p-n-p транзистора в линейном режиме необходимо пропускать ток по цепи эмиттер-база. При этом основные носители – дырки в p -области переходит в n -область базы, где становятся неосновными носителями, распространяются по области базы и делятся на 2 части, одна уходит в базовый электрод, а вторая (большая) – в коллекторную область и далее – в коллекторный электрод, среднее отношение между этими частями 1:100, т.е. базовый ток примерно в сто раз меньше коллекторного, но вообще, это соотношение может быть и другим.
Рис. 3.3 Представление транзистора как два включенных диода
Транзисторы n-р-n - типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p -типа правила сохраняют свою справедливость, если полярность напряжения изменить на противоположную):
1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
2. Цепи база – эмиттер и база – коллектор работают как диоды (см. рис. 3.3). Обычно диод Э – Б открыт (прямо смещен), диод Б – К закрыт (обратно смещен).
3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями I К, I Б, U КЭ . За превышение этих значений приходится расплачиваться новыми транзисторами. Следует также помнить и о предельных значениях других параметров (рассеиваемой мощности U КЭ I КЭ, температуры, U БЭ и др).
4. Если правила 1 – 3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы и можно записать следующее соотношение I К = h 21∙ I Б = β ∙ I Б,
Где h 21 – коэффициент усиления по току базы, достигает значения β = h 21 = 100.
Токи I К и I Э втекают в эмиттер. При этом полагают, что коллекторный ток не связан с прямой проводимостью база – коллектор, поскольку именно этот диод смещен в обратном направлении. Просто делают допущение, что «транзистор так работает» (Хоровиц, Хилл).
Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет бОльшим током коллектора. Параметр передачи тока h 21 нельзя считать «удобным», поскольку для одних и тех же типов транзисторов его величина может изменяться от 50 до 250. Он зависит также от тока коллектора, напряжения между коллектором и эмиттером, температуры и т.д.
Если рассмотреть правило 2 более внимательно, то можно заметить что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как если потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6-0,8 В (прямое напряжение диода), то возникает большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжения на база и эмиттере связаны следующим соотношением: U Б = U Э + 0,6 В (U Б = U Э + U БЭ).
Ток коллектора не связан с проводимостью диода К–Б. Дело в том, что обычно к диоду К–Б приложено обратное напряжение. Более того, ток коллектора очень мало зависит от напряжения на коллекторе (этот диод подобен небольшому источнику тока), в то время как прямой ток, а следовательно, и проводимость резко увеличивается при увеличении приложенного напряжения.
Уточненная схема замещения биполярного транзистора приведена на рис. 3.4.
Рис. 3.4 Схема замещения биполярного транзистора
В этой схеме замещения соответствует система уравнений, которую принято называть уравнениями транзистора в Н – параметрах
Физический смысл параметров, приведенных в системе уравнений, можно легко установить, если воспользоваться режимами холостого хода на входе системы и короткого замыкания на выходе. При холостом ходе на входе 
=0, откуда находим два параметра
Аналогично при коротком замыкании на выходе 
находим два других параметра
| 
|
В этой схеме H12uкэ – источник напряжения; H21iб – источник тока; H22 – проводимость. Параметр H12 называют обратной передачей по напряжению, H22 – выходная проводимость. Параметры короткого замыкания называются H11 – входной сопротивление, и H21 – прямая передача по току базы. В справочниках по транзисторам приводятся не все четыре Н – параметра, а только некоторые из них. Обязательно приводится коэффициент передачи по току базы β = Н21, а остальные, если не приводятся, то рассчитываются по приведенным формулам.
Известны четыре режима работы транзистора: отсечки, насыщения, активный режим, инверсный активный режим.
Для перехода из линейного режима работы в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть, когда в коллекторной цепи включено сопротивление нагрузки.
Рис. 3.5. Схема включения биполярного транзистора
В этом случае увеличение тока i б приведет к увеличению тока коллектора i к. В результате увеличится падение напряжения на нагрузке R н и уменьшится напряжение на коллекторе u кэ. Условием насыщения транзистора будет равенство нулю напряжения u кб = u кэ - u бэ =0. При глубоком насыщении транзистора выполняется условие u бк>0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т.е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме. Выполнение условия uкб =0 обычно называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима работы в режим насыщения. Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы в режиме насыщения к току базы в граничном режиме q=I б нас /I б гр. При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора. Поскольку в режиме насыщения напряжение между эмиттером и коллектором достаточно мало, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым ключом, на котором падает небольшое напряжение.
Рис. 3.6. Схема замещения транзистора в режиме насыщения
В соответствии с этой схемой замещения напряжение на насыщенном ключе определяется формулой U кэ нас = I к R нас+ E и,
где E и = 0,5…0,1 В;
R нас – сопротивление насыщенного ключа.
В справочных данных на транзисторы обычно приводится значение U кэ нас при заданном токе коллектора.
Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия uбэ=0. В режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом, схема замещения которого приведена ниже.
Рис. 3.7. Схема замещения транзистора в режиме отсечки
В соответствии с этой схемой транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление R 0 и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки Iут≈Iкб 0. На вольт-амперных характеристиках это прямая линия, проходящая параллельно оси абсцисс вблизи от нее при I б=0. В справочных данных на транзисторы для режима отсечки обычно приводится обратный ток коллектор-эмиттер при заданном напряжении на коллекторе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером. Таким образом, два ключевых режима работы транзистора – режимы насыщения и отсечки – позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ S. Остальные элементы на схемах замещения соответствуют неидеальности транзисторного ключа.
Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электронных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор попеременно переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения, которая обычно характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации.
В литературе по электронике обычно приводится типовое семейство характеристик транзистора, как изображено на рис. 3.8.
Рис. 3.8 Типовое семейство выходных характеристик биполярного транзистора
Слева у семейства – линия насыщения, она одна и та же для всех значений базового тока, но для больших значений тока базы она продлевается вверх, до тех пор, пока не образуется колено перехода линии в активную область. Принято считать, что если рабочая точка процесса находится на линии насыщения, то транзистор насыщен, открыт, ток коллектора не зависит от тока базы, транзистор неуправляем. Например, в схеме рис. 3.9, а в режиме насыщения, ток в цепи зависит от величин напряжения +E0 и сопротивление резистора Rн, а транзистор в первом приближении можно считать закороченным, как показано штриховой линией.
а) б)
Рис. 3.9 Транзистор VT совместно с резистором Rн в режиме насыщения: а - схема; б - семейство выходных характеристик
На семействе характеристик (рис. 3.9,б) нагрузка R н изображена в виде прямой R н. Точка E 0 это напряжение питания, центр вращения нагрузочной прямой R н, которая всегда проходит через E 0. Если транзистор заперт (закрыт), то рабочая точка почти совпадает с E 0, говорят, что имеет место «отсечка» - закрытое состояние. Точку 1 находят по величине E 0/ R н, т.е. отношение отрезков на горизонтальной оси ∆ U и вертикальной ∆ I, отсекаемых нагрузочной прямой, определяет величину R н
.
Точка пересечения нагрузочной прямой с линией насыщения 2 определяет состояние насыщения (точка насыщения). Отсечка (закрытое состояние) и насыщение (открытое состояние) применяется в импульсном режиме транзистора, потери мощности на нем в этих состояниях минимальны, следовательно КПД максимален (95% и более). Переход между этими точками производится за возможно кратчайшее время, скачки, чтобы уменьшить потери на транзисторе в активной области. В современной электронике стремятся, чтобы большинство процессов преобразования производились в импульсной форме с целью экономии энергозатрат.
Для рис. 3.9,б только для тока I б3 и больших значений I б возможно состояние насыщения (точка 2 и другие для больших I б). Для меньших I б (I б1, I б2) состояние насыщения невозможно, так как нет точки пересечения этих характеристик с нагрузочной прямой на линии насыщения.
В активной области КПД конечно, хуже (теоретически не более 50%). Тем не менее её используют там, где необходимо сделать проще, где потребление невелико и им можно пренебречь и где необходимо устранить дробовой эффект от импульсного, скачкообразного перехода из насыщения в отсечку и обратно, например, в высококачественных электронных музыкальных инструментах и т.д. Для активной области считается справедливым пропорциональная зависимость между током коллектора и током базы 
, где 
– коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером ОЭ (рис. 3.9, б):
, где α – коэффициент усиления по току эмиттера для схемы с общей базой ОБ (рис. 3.10, а).
Схемы включения транзисторов
Усредненные свойства схем следующие. Схема рис.3.10, а называется схемой с ОБ потому, что управляющий сигнал подается на эмиттерный электрод, а база заземлена.
Свойства схемы: входное сопротивление невелико, примерно на порядок меньше в сравнении со схемой с ОЭ (десятки Ом), выходное сопротивление на порядок больше, чем у схемы ОЭ, схема не инвертирует входной сигнал, коэффициент усиления по току близок к единице, но меньше единицы, коэффициент усиления по мощности примерно на порядок меньше, чем у ОЭ, полоса пропускания ∆f выше, чем у ОЭ, линейные и нелинейные искажения меньше. Термостабильность каскадов лучше. Несмотря на эти достоинства, схема ОБ применяется редко, так как трудно произвести согласование каскадов из-за различия входного и выходного сопротивлений.
а) б) в)
Рис. 3.10 Схема включения транзистора: а - с общей базой (ОБ), б – с общим эмиттером (ОЭ), б – общим коллектором (ОК)
Схема ОЭ (рис. 3.10,б) применяется наиболее часто потому, что она дает наибольшее усиление по току, напряжению, мощности, в сравнении с другими (ОБ и ОК). Она инвертирует входной сигнал, поэтому часто называется инвертором. Принцип инвертирования иллюстрируется рис. 3.11.
Рис. 3. 11. Инвертирование входного сигнала для схемы с ОЭ.
Первый полупериод базового тока (биполярные транзисторы управляются током, в отличие от полевых транзисторов, которые управляются напряжением) в положительной области приоткрывает транзистор (так как базовый ток в активной области возрастает), следовательно, падение напряжения на уменьшившемся сопротивлении транзистора убывает, а на резисторе R к – возрастает (при постоянном E 0). Поэтому полупериод на выходе транзистора убывает, напряжение в области уменьшения, инверсия и т.д.
Входное сопротивление схемы с ОЭ (рис.3.10, б) среднее между схемами рис. 3.10, а и в, поэтому подобные каскады проще согласовывать друг с другом, без дополнительных согласующих устройств (входное – несколько кОм, выходное – несколько десятков кОм).
Недостатки этой схемы – она хуже других схем в отношении температурной стабильности, узкой полосы пропускания, линейных и нелинейных искажений и т.д.
Схема с ОК (рис. 3.10,в) применяется чаще, чем ОБ, но реже ОЭ. Её входное сопротивление самое высокое (несколько сотен кОм вследствие отрицательной обратной связи на Rэ), выходное сопротивление невелико: единицы, десятки Ом. Схема не инвертирует входной сигнал, коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но меньше единицы, коэффициент усиления по току несколько десятков единиц, поэтому усиление по мощности меньше, чем у схемы ОЭ, термостабильность высокая, полоса пропускания больше, чем у ОЭ. Иногда схему ОК называют условно трансформатором сопротивления, потому, что высокое входное сопротивление преобразуется в низкое выходное, также эмиттерным повторителем – повторяет входное напряжение. Каскад применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки.
Рис. 3.12 Схемы включения транзисторов с общим эмиттером
Рис. 3.12 Схемы включения транзисторов с общим коллектором
При использовании активной области транзистора вначале строят рабочую область (область безопасной работы - ОБР), как показано на рис. 3.14:
Рис. 3.14. Рабочая область транзистора
Слева на рис. 3.14 проводят прямую, отсекающую существенную кривизну характеристик. Сверху и справа проводят границы I доп и U доп из справочников или каталогов (допустимые значения тока и напряжения для транзистора). Снизу – линия неуправляемой границы – ток транзистора при I б=0 и наибольшей температуре. Справа в боковой части гипербола рассеивания P расс. Затем откладывают точку E 0 и через нее проводят нагрузочную прямую. Если необходимо наибольшее усиление по току, то прямая R н ближе к вертикали, проведенной через точку E 0 в виде штриховой линии, с наклоном влево (R н по току). При необходимости усиления мощности проводят R н по мощности так, чтобы произведение проекций на горизонтальную и вертикальную оси было наибольшим. Для усиления напряжения R н должна располагаться ближе к горизонтальной оси. Небольшие ошибки, при проведении нагрузочных прямых неизбежны, называют инженерными погрешностями. Затем примерно на середине нагрузочных прямых ставят рабочую точку А. Она определяет ток базы режима ожидания i бо, ток транзистора Iко, и напряжение режима ожидания U ко. Эти параметры обязательно надо установить в режиме ожидания усиливаемого сигнала, после этого можно подавать усиливаемый сигнал на базу и снимать усиленный сигнал с коллекторного электрода. Все процессы должны быть в пределах рабочей области.
В зависимости от тока базы (напряжения на затворе полевого транзистора) различают режимы A, B, C, D. На рис. 3.15 изображены эти токи, причем режим D называется ключевым, для него транзистор либо закрыт (в точке D), либо открыт (в точке D’).
Рис. 3.15. Режимы ожидания транзисторного каскада
Если выбрана точка А, то это соответствует наиболее линейному усилению, усиливаемый сигнал может быть точечным (в точке А), либо иметь размах с центром в точке А, при этом выбирается наиболее прямой участок характеристики, чуть больше или меньше (инженерная погрешность). Для точки В характерны нелинейные искажения, размах в положительной области может быть BD', и столько же по амплитуде влево от точки В, при этом выходной сигнал имеет несимметричные полупериоды, цена несимметричности - более высокий КПД. Аналогично для С, нелинейные искажения ещё больше при возрастающем КПД.
Семейство характеристик, указанных на рис. 3.8, является не точным (книжным). В действительности оно имеет вид, показанный на рис. 3.16, а.
В действительности, имеется ещё и III квадрант, где характеристики похожи на I квадрант, но управляемость намного хуже, так как транзистор сконструирован для первого квадранта. Характерны две точки: 1 – остаточный ток и 2 – остаточное напряжение, называются остаточными параметрами.
Физический смысл остаточного тока 1 в том, что полностью закрытый транзистор всё-таки проводит остаточный ток I, т.е. отличается от разомкнутого контакта, например, обычного домашнего выключателя сетевой лампочки, который в выключенном состоянии ток не проводит. Второй параметр 2 указывает, что при нулевом коллекторном токе на открытом транзисторе выделяется остаточное напряжение U ост (тока нет, а напряжение есть, из базовой цепи). Этим параметром биполярный транзистор так же отличается от комнатного выключателя, на котором нет напряжения при нулевом токе. В действительности, на контактном выключателе при нулевом токе есть минимальное напряжение, оно определяется термо-ЭДС разнородных примесей контактирующих пар, но его величиной можно пренебречь.
а) б)
Рис. 3.16. Реальные выходные характеристики биполярного
транзистора: а – прямое включение; б – инверсное включение
На рис. 3.16,б приведены характеристики инверсного включения, особенностью которого является почти на порядок меньшая величина остаточного параметра по напряжению (точка 1). Один из примеров использования – маломощные, мало сигнальные ключи, коммутаторы.
Если биполярные транзисторы включены так, как изображено на рис. 3.17, то они называются составными или транзисторами Дарлингтона.
| 
| 
|
а) б) в)
Рис. 3.17. Схемы составных транзисторов (транзисторов Дарлингтона)
Сдвоенный транзистор увеличивает коэффициент усиления по сравнению с одиночным транзистором примерно в квадрате, строенный – в кубе. Сдвоенный транзистор рис. 3.17,в называется по первому: составной транзистор n-p-n, хотя в его составе имеется транзистор p-n-p.
Динамические характеристики биполярного транзистора.
Динамические характеристики транзистора по-разному описывают его поведение в линейном или ключевом режимах. Для ключевых режимов очень важным является время переключения транзистора из одного состояния в другое. В то же время для усилительного режима транзистора более важными являются его свойства, которые показывают возможность транзистора усиливать сигналы различных частот.
Процессы включения и выключения транзисторного ключа показаны на рис. 3.18. При включении транзистора (рис. 3.18, а) в его базу подается прямоугольный импульс тока с крутым фронтом. Ток коллектора достигает установившегося значения не сразу после подачи тока в базу. Имеется некоторое время задержки tзад, спустя которое появляется ток в коллекторе. Затем ток в коллекторе плавно нарастает и после времени достигает установившегося значения I к вкл, таким образом
t вкл = t зад + t нар,
где t вкл - время включения транзистора.
Рис. 3.18. Процессы при включении транзистора (а) и выключении (б)
При выключении транзистора на его базу подается обратное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление (рис. 3.19) и становится равным I Б вых. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, этот ток не меняет своего значения. Это время называется временем рассасывания tрас. После окончания процесса рассасывания происходит спад тока базы, который продолжается в течение времени спада tcп. Таким образом, время выключения транзистора равно
tвык= t рас+ t сп.
Следует особо отметить, что при выключении транзистора, несмотря на изменение направления тока базы, транзистор в течение времени tрас остается включенным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно.
Время рассасывания сильно зависит от степени насыщения транзистора перед его выключением. Минимальное время выключения получается при граничном режиме насыщения. Для ускорения процесса рассасывания в базу пропускают обратный ток, который зависит от обратного напряжения на базе. Однако прикладывать к базе большое обратное напряжение нельзя, так как может произойти пробой перехода база-эмиттер. Максимальное обратное напряжение на базе обычно не превышает 5...7 В.
Если к базе транзистора в процессе запирания не прикладывается обратное напряжение (например, база замыкается на эмиттер), то такое запирание транзистора называется пассивным. При пассивном запирании время рассасывания значительно увеличивается, а обратный ток базы уменьшается. Форма тока коллектора при подаче в базу прямоугольного импульса тока показана на рис.3.19. Из этого рисунка видно, что форма импульса тока коллектора не только изменяется за счет раcтягивания длительности фронтов, но и сам импульс увеличивается по длительности на время tрас. В справочных данных обычно приводят времена включения, спада и рассасывания. Для наиболее быстрых транзисторов время рассасывания имеет значение 0,1...0,5мкс, однако для многих силовых транзисторов оно достигает 10 мкс.
Рис.3.19. Изменение формы импульса при работе транзисторного ключа