Разновидности биполярных транзисторов

В настоящее время промышленностью выпускается большое количество бипо­лярных транзисторов различных типов и разного назначения. Подавляющее большинство транзисторов изготовляется из кремния и имеет структуру п-р-п. Обычно транзисторы классифицируют по допустимой рассеиваемой мощности, предельной частоте и назначению.

По мощности транзисторы подразделяют на три группы. К транзисторам малой мощности относят приборы с рассеиваемой мощностью менее 0,3 Вт. К транзис­торам средней мощности относятся транзисторы с рассеиваемой мощностью от 0,3 до 1,5 Вт. Для транзисторов большой мощности рассеиваемая мощность превышает 1,5 Вт.

В каждой из трех групп транзисторы подразделяются на низкочастотные ( ≤≤ 3 МГц), транзисторы средней частоты (3 МГц < < 30 МГц), высокочастот­ные (30 МГц < < 120 МГц) и транзисторы диапазона СВЧ ( > 120 МГц).

Для низкочастотных транзисторов характерны большая емкость переходов (10-100 пФ) и время рассасывания (порядка 1 мкс). Для высокочастотных транзис­торов характерны малая площадь переходов, малая толщина базы и малое время жизни неосновных носителей заряда. Барьерные емкости этих транзисторов не превышают 10 пФ, время рассасывания составляет доли микросекунды. Как пра­вило, высокочастотные транзисторы являются дрейфовыми.

Сверхвысокочастотные транзисторы отличаются рядом важных структурных и конструктивных особенностей. Толщина базы этих транзисторов составляет 0,1-0,3 мкм, ширина эмиттера — около 1 мкм, расстояние от края эмиттерной области до базового контакта — около 0,4 мкм. При этих условиях барьерные емкости составляют десятые доли пикофарады, а граничная частота достигает 10 ГГц. Транзисторы с повышенной граничной частотой характеризуются пони­женными рабочими напряжениями и токами, малыми значениями отдаваемой вы­сокочастотной мощности и допустимой рассеиваемой мощности. Как показали исследования, граничная частота f_гр и отдаваемая мощность Р связаны между собой соотношением P*f_гр² = const, из которого следует, что повышение граничной частоты при заданном уровне технологии связано с неизбежным уменьшением от­даваемой мощности. Современная технология позволяет создавать транзисторы с граничной частотой 10 ГГц при отдаваемой мощности 1 Вт.

Мощные транзисторы отличаются большими напряжениями и токами коллекто­ра. Для достижения большого рабочего тока применяют многоэмиттерные тран­зисторы, содержащие большое число узких длинных эмиттерных полосок, между которыми расположены выводы базы, объединенные общим базовым выводом. Все эмиттеры располагают внутри одной базовой области, а их выводы объеди­няют общим эмиттерным выводом. Ширина каждой эмиттерной полоски со­ставляет 10-20 мкм, а длина — 100-200 мкм. Для хорошего теплоотвода кристалл мощного транзистора устанавливают на массивное металлическое основание кор­пуса, которое в ряде случаев имеет специальный радиатор. Современные мощные транзисторы при допустимом коллекторном напряжении более 100 В и токе кол­лектора более 50 А позволяют в диапазоне частот до 30 МГц получить в нагрузке мощность порядка 175-200 Вт.

Большое разнообразие транзисторов отражается в их условных обозначениях (маркировке), содержащих определенную информацию о свойствах транзистора, Первый элемент обозначения характеризует материал полупроводника:

□ Г (или 1) — германий;

□ К (или 2) — кремний;

□ А (или 3) — арсенид галлия;

□ И (или 4) — соединения индия.

Буквы используют при маркировке транзисторов широкого применения, циф­ры — при маркировке транзисторов специального назначения.

Вторым элементом обозначения для биполярных транзисторов является буква Т (для полевых транзисторов используется буква П). Третий элемент обозначения характеризует мощность и частотные свойства:

□ 1 — маломощный низкочастотный;

□ 2 — маломощный средней частоты;

□ 3 — маломощный высокочастотный (f > 30 МГц);

□ 4 — средней мощности низкочастотный;

□ 5 — средней мощности средней частоты;

□ 6 — средней мощности высокочастотный;

□ 7 — большой мощности низкочастотный;

□ 8 — большой мощности средней частоты;

□ 9 — большой мощности высокочастотный.

Четвертый и пятый элементы указывают на порядковый номер разработки дан­ного типа транзистора и обозначаются цифрами от 01 до 99. Шестой элемент обо­значения (буквы от А до Я) показывает разделение транзисторов данного типа на подтипы по классификационным параметрам, например по величине h_2!э или какого-либо другого параметра. Например, кремниевый биполярный мощный высокочастотный транзистор КТ 903 А имеет минимальное значение h_2!э = 15, а транзистор КТ 903 Б — минимальное значение h_2!э = 40.

Для вновь разрабатываемых транзисторов используются семиэлементные обозна­чения. У этих транзисторов третий элемент несколько иначе характеризует мощ­ность и частотные свойства транзистора:

□ 1 — маломощный (до 1 Вт) с граничной частотой до 30 МГц;

□ 2 — маломощный с граничной частотой до 300 МГц;

□ 4 — маломощный с граничной частотой свыше 300 МГц;

□ 7 — мощный (свыше 1 Вт) с граничной частотой до 30 МГц;

□ 8 — мощный с граничной частотой до 300 МГц;

□ 9 — мощный с граничной частотой свыше 300 МГц.

Четвертый, пятый и шестой элементы (число от 001 до 999) указывают на поряд­ковый номер разработки, а седьмой элемент — на отличие по какому-либо пара­метру.

В радиоэлектронной аппаратуре наряду с транзисторами, управляемыми элект­рическими сигналами, находят применение транзисторы, управляемые световы­ми сигналами, — фототранзисторы. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, в корпусе которого имеется прозрачное окно, через которое световой поток воздействует на область базы. Схематическое устройство фототранзистора и схема его включения представлены на рис. 4.41, а. Фототран­зистор обычно включают по схеме с ОЭ с отключенной базой. При этом эмиттер-ный переход оказывается включенным в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном. Под действием света происходит генерация пар носителей заряда в базовой области. Электроны и дырки диффундируют к коллекторному переходу, поле которого разделяет их. Дырки переходят из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора, а электроны остаются в базе и компенсируют поло­жительный неподвижный заряд неподвижных доноров в р-n-переходе, в резуль­тате чего потенциальный барьер в эмиттерном переходе снижается, что приводит к увеличению инжекции дырок в базу. Соответственно увеличивается количество дырок, втянутых полем коллекторного перехода и попавших в коллектор. Ток инжектированных носителей и соответствующий ему коллекторный ток во мно­го раз превышает первоначальный фототок, образованный носителями за счет генерации.

Вольт-амперные характеристики фототранзистора показаны на рис. 4.41, б. Внешне они не отличаются от выходных характеристик обычного биполярного транзис­тора. При отсутствии светового потока через транзистор протекает ток . При облучении базы светом появляются дополнительные носители заряда, ток коллектора возрастет и становится равным , где — темновой ток фототранзистора, — световой ток фототранзистора, а К_Ф — интег­ральная фоточувствительность фототранзистора.

Если в цепь коллектора включен резистор R_н, то режим работы фототранзистора определяется так же, как и обычного транзистора. В этом случае при изменении светового потока будет изменяться напряжение u_кэ. Следовательно, фототранзис­тор является приемником фотоизлучения и одновременно усилителем фототока.

Схема со свободной базой имеет низкую температурную стабильность. Для по­вышения стабильности используют вывод базы и схемы стабилизации аналогич­но тому, как это делается в схемах с обычными биполярными транзисторами. Вывод базы может быть задействован для обычного электрического управления фототранзистором.

Тиристоры

Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя или более р-n-переходами, на вольт-амперной характеристике которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристор может находиться в одном из двух устойчивых состояний — закрытом или открытом. В закрытом состоянии сопротивление тиристора высокое и он пропускает маленький ток. В открытом состоянии сопротивление тиристора небольшое и через него протекает большой ток. Существует несколько разновидностей тиристоров.

Диодный тиристор

Диодный тиристор, или динистор, состоит из четырех областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рис. 4.42, а), имеет три электронно-дырочных перехода и два вывода. Крайние области структуры называют эмитте­рами (Э), а примыкающие к ним p-n-переходы называют эмиттерными перехо­дами (ЭП). Средние области называют базами (Б), a p-n-переход между ними называют коллекторным переходом (КП). Контакт к внешнему тг-слою называют катодом (К), а контакт к внешнему р-слою называют анодом (А).

Четырехслойную структуру можно рассматривать как совокупность двух транзис­торов типа п-р-п и р-п-р. Если на анод динистора подать положительное напряже­ние, то оно перераспределится между тремя р-n-переходами (рис. 4.42, б). При этом на эмиттерные переходы будет подано прямое напряжение, а на коллекторный переход — обратное. Вследствие этого в структуре возникает поток электронов 1, перемещающийся из электронного эмиттера (Э₁)через дырочную базу (Б,) и кол­лекторный переход в электронную базу (Б₂), и поток дырок 2, перемещающийся из дырочного эмиттера (Э₂) через электронную базу (Б₂) и коллекторный переход в дырочную базу Б,. При этом некоторая часть носителей заряда рекомбинирует в соответствующих базах, поэтому через коллекторный переход протекают потоки и , где ά₁, и ά₂ — интегральные коэффициенты передачи токов. К коллектор­ному переходу приложено обратное напряжение, поэтому через него в соответствии с теорией транзисторов должен протекать ток, обусловленный экстракцией не­основных носителей заряда из прилегающих областей и генерацией носителей за­ряда в самом переходе. В кремниевых структурах преобладает генерация носителей заряда в коллекторном переходе (потоки 3 и 4). Ток, создаваемый этими потока­ми, обозначим I_гсн. Тогда полный ток через коллекторный переход будет равен

(4.149)

B последовательной структуре протекает одинаковый ток, поэтому i₁ = i₂ = i. Сле­довательно,

(4.150)

Если напряжение на коллекторном переходе таково, что в нем происходит лавин­ное размножение носителей заряда, то все слагаемые тока через коллекторный переход необходимо умножить на коэффициент лавинного размножения М, тогда

(4.151)

Воспользуемся полученным уравнением для анализа вольт-амперной характеристики динистора, представленной на рис. 4.43. Она содержит пять характерных участков.

Участок ОA. Этот участок соответствует закрытому состоянию динистора. При небольших напряжениях (и << u_вкл) лавинное размножение носителей заряда отсут­ствует (М = 1) и справедливо неравенство ά₁ + ά₂ < 1, поэтому ток i= I_ген. С ростом напряжения и коллекторный переход расширяется, его объем увеличивается и возрастает ток I_ген. По мере приближения к напряжению u_вкл увеличиваются инте­гральные коэффициенты передачи тока ά₁ и ά₂, возникает лавинное размножение носителей заряда и появляется положительная обратная связь, суть которой состоит в следующем. Электроны из электронного эмиттера (поток 1), попадая в элек­тронную базу Б₂, снижают потенциальный барьер в р-n-переходе ЭП₂, что ведет к увеличению потока дырок 2, которые, попав в дырочную базу Б₁, снижают потенци­альный барьер в ЭП₁, в результате чего происходит лавинообразное увеличение тока, которое может привести к разрушению прибора. Чтобы ограничить рост тока, последовательно с динистором обязательно включают ограничительный резистор.

Напряжением включения u_вкл называют такое напряжение, при котором диф­ференциальное сопротивление динистора du/di становится равным нулю. Для нахождения этого напряжения продифференцируем уравнение (4.150) с учетом того, что М зависит от напряжения и, а коэффициенты ά₁ и ά₁₂ - от тока i. После дифференцирования получаем;

(4.152)

Выражения в круглых скобках в числителе являются дифференциальными коэф­фициентами передачи токов эмиттеров:

(4.153)

(4.154)

Пренебрежем первым слагаемым в знаменателе (4.152), так как ток I_ген слабо за­висит от напряжения. Тогда вместо (4.152) можно записать:

(4.155)

Следовательно, включение наступит при условии

(4.156)

При этом точка А должна удовлетворять требованию экстремальности, то есть в этой точке должно выполняться условие d²u/di² < 0. Дифференцируя (4.154), по­лучаем:

(4.157)

Таким образом, напряжению и_вкл соответствуют условия (4.155) и (4.156). Но тогда из (4.155) следует, что значение М при прохождении через точку А должно уменьшаться. Физически это возможно при условии, что после прохождения че­рез точку А напряжение должно уменьшаться, а ток увеличиваться.

Участок АВ. На этом участке рост тока сопровождается уменьшением напряжения, то есть участок АВ обладает отрицательным дифференциальным сопротивлени­ем. Физически уменьшение напряжения происходит за счет того, что электроны и дырки, накапливающиеся в базах динистора, снижают потенциальный барьер в коллекторном переходе. При достижении точки В все три перехода оказывают­ся смещенными в прямом направлении. Точке В соответствует ток удержания I_уд.

Участок ВС. Этот участок соответствует открытому состоянию динистора, при котором все три р-n-перехода имеют прямое включение и динистор можно рас­сматривать как три диода, включенных последовательно. Величина тока при этом определяется объемным сопротивлением структуры. Максимальная величина тока, который может пропустить динистор в этом режиме, определяется площа­дью переходов и условиями их охлаждения.

Участок OD. При подаче на анод отрицательного напряжения коллекторный пе­реход оказывается смещенным в прямом направлении, а эмиттерные переходы — в обратном. Через динистор протекает небольшой обратный ток.

Участок DE. На этом участке обратный ток динистора резко увеличивается, что обусловлено лавинным пробоем одного из эмиттерных переходов.

Экспериментальное наблюдение вольт-амперной характеристики на участке с от­рицательным дифференциальным сопротивлением возможно при условии, что сопротивление ограничительного резистора R больше модуля отрицательного дифференциального сопротивления. В этом случае нагрузочная линия пересека­ет вольт-амперную характеристику только в одной точке. Если же это условие не выполняется, то нагрузочная линия пересекает вольт-амперную характеристику в трех точках. При этом рабочие значения токов и напряжений зависят от того, происходит увеличение или уменьшение напряжения E_и.п. Если напряжение E_и.п увеличивается (рис. 4.44), то режим работы динистора определяется точками пе­ресечения с ветвью ОА (точки 1, 2, 3). Такой режим соответствует закрытому со­стоянию динистора; через него протекает незначительный ток. Когда напряжение станет равным E’’’_и.п (точка 3), то произойдет переключение динистора в открытое состояние (точка 4). При дальнейшем увеличении напряжения E_и.п рабочая точка на ветви ВС будет сдвигаться вверх; если же напряжение E_и.п уменьшать, то ток будет уменьшаться (точки 5 и 6), Когда E_и.п станет равным E’_и.п, произойдет переключение динистора в закрытое состояние (точка 1). Из рассмотренного следует, что динистор является переключательным электронным прибором.

Триодный тиристор

Триодный тиристор, или тринистор, отличается от динистора наличием вывода от одной из баз (рис. 4.45, а). Этот вывод называют управляющим электродом. Его наличие дает возможность управлять током одного из эмиттеров. Если вывод сделан от дырочной базы и на него подано положительное напряжение, то эмит-терный переход ЭП, оказывается включенным в прямом направлении, и в цепи управляющего электрода возникает инжекционный ток i_y. В результате возрас­тает ток i₁ что вызывает увеличение коэффициента ά₁ иоблегчает выполнение условия (4.155), при котором тиристор переходит в открытое состояние. Чем больше ток i_y, тем меньше напряжение включения и_вкя (рис. 4.45, б).

Симметричный тиристор

Симметричный тиристор, или симистор, имеет пятислойную структуру и содер­жит четыре р-n-перехода (рис. 4.46, а). Верхняя n₃-область и нижняя n₁-область являются укороченными и имеют общие с соседними областями р₁ и р₂ металли­ческие выводы Э₂ и Э₁. В результате переходы n₃-р₂ и n₁-р₁ оказываются зашунтированными объемными сопротивлениями прилегающих р-областей. Если на этих переходах действуют прямые напряжения, то сопротивления переходов оказыва­ются меньше сопротивления базовых областей, и ток течет через переход. Если же на переходах действуют обратные напряжения, то их сопротивления оказыва­ются больше сопротивления базовых областей, и ток течет через соответствую­щую р-область.

Если потенциал электрода Э₂ больше потенциала электрода Э₁, то переходы п₁-р₁ и п₂-р₂ оказываютсяоткрытыми, а переходы р₁-п₂ и р₂-n₃ — закрытыми. В резуль­тате область n₃ оказывается отключенной, и структура превращается в динистор n₁-p₁-n₂-р₂ в котором электроны перемещаются снизу вверх, а дырки — сверху вниз. Если потенциал электрода Э₂ меньше потенциала электрода Э₁ то перехо­ды n₁-p₁ и n₂-р₂ закрываются, а переходы р₁-n₂ и р₂-n₃ открываются и структура превращается в динистор n₃-р₂-n₂-р₁, в котором электроны перемещаются сверху вниз, а дырки — снизу вверх. Таким образом, симистор является переключатель­ным прибором, который может работать как при положительном, так и при отри­цательном напряжении. Вольт-амперная характеристика симистора представле­на на рис. 4.46, 6.

Симисторы, у которых отсутствует вывод от внутренней области п₂, называются диаками. Если от области п₂ сделан внешний вывод (управляющий электрод), то такой прибор становится трехэлектродным и называется триаком. В этом случае, подавая импульсы тока в цепь управляющего электрода, можно управлять напря­жением включения триака.

Применение тиристоров

Тиристоры нашли применение в различных схемах радиоэлектроники, автома­тики и промышленной электроники. Промышленностью выпускается большое разнообразие тиристоров. Условные графические обозначение тиристоров пред­ставлены на рис. 4.47 (а — динистор, 6 — тринистор с выводом от р-области, в — тринистор с выводом от п-области, г — запираемый тринистор с выводом от р-области, д — запираемый тринистор с выводом от n-области, е — диак).

Обычные тринисторы запираются путем снижения анодного напряжения. Запи­раемые тринисторы можно запирать путем подачи на управляющий электрод ко­ротких импульсов обратного напряжения.

На рис. 4.48, а в качестве примера показана схема выпрямителя переменного

тока, в котором величина постоянной составляющей выпрямленного тока может меняться путем изменения напряжения на управляющем электроде. На рис. 4.48, б показаны диаграммы работы этой схемы.

Пока напряжение и_Г не превышает напряжения включения, тиристор заперт, ток очень мал и напряжение на тиристоре и_к практически равно напряжению ис­точника и_Г. В момент времени t₁ происходит отпирание тиристора, ток резко возрастает, а напряжение и_д резко уменьшается (переход от точки А к точке В). Этот процесс протекает не мгновенно, а в течение короткого интервала времени t_вкл (на рисунке не показанного). Затем в интервале времени t₁...t₂ ток нарастает, а в интервале t₂...t₃ уменьшается. Напряжение на тиристоре и_д в интервале t₁...t₃ сохраняется минимальным (тиристор открыт), практически все напряжение и_г оказывается приложенным к резистору R. В момент времени t₃ тиристор запирается, ток резко уменьшается, а напряжение и_д увеличивается (переход от точки D к точке Е). Этот процесс происходит в течение короткого промежутка времени t_выкл. Изменяя ток управляющего электрода, можно изменять момент включения, а следовательно, длительность промежутка времени, в течение которого ток проте­кает через тиристор.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте режимы работы биполярного транзистора.

2. Нарисуйте распределение концентрации носителей заряда при различных режимах работы.

3. Что такое коэффициенты передачи токов и как они зависят от тока эмиттера?

4. Нарисуйте и объясните семейство выходных характеристик транзистора в схе­ме с общей базой.

5. Нарисуйте и объясните семейство выходных характеристик транзистора в схе­ме с общим эмиттером.

6. Как влияет температура на характеристики транзистора?

7. В чем состоит различие между дифференциальными и интегральными коэффициентами передачи токов?

8. В чем состоит различие между h- и y-параметрами?

9. Поясните, как определяются /г-параметры по характеристикам транзистора.

10.Нарисуйте схему включения и диаграмму работы транзистора в усилительном режиме.

11.Как производится аналитический расчет коэффициента усиления напряжения?

12.Нарисуйте и объясните временные диаграммы работы транзистора в импульс­ном режиме.

13.Что представляет собой модель Эберса—Молла?

14.Нарисуйте и объясните физическую эквивалентную схему биполярного тран­зистора.

15.Почему ухудшаются усилительные свойства транзистора на высоких частотах?

16.Чем ограничивается быстродействие транзистора при работе в импульсном режиме?

17.Какие физические процессы протекают в тиристоре при включении и выклю­чении?