Почему усиление бт по мощности может достигать тысяч раз

Биполярные транзисторы (БТ).

БТ это активные п/п-вые приборы, служащие для усиления мощности электрических сигналов. БТ состоит из трех чередующихся слоев п/п-ка с электропроводностями разных типов и двух p — n -переходов. Различают транзисторы типа p-n-p (рис. 2.9, а)и n-p-n (рис. 2.9, е). Обозначения БТ этих типов показаны на рис. 2.9, б, г.

Внутреннюю область транзистора, разделяющую р-n -переходы, называют базой. Она тонкая и низколегированная. Внешний слой п/п-ка, предназначенный для внедрения носителей заряда в базу, называют эмиттером, а p-n -переход П₁,примыкающий к эмиттеру — эмиттерным. Другой внешний слой, вытягивающий носители заряда из базы, называют коллектором, а переход П₂ — коллекторным. База является электродом, управляющим значением тока, проходящего через транзистор, так как, меняя напряжение между базой и эмиттером, можно управлять плотностью тока.

БТ изготавливают из германия и кремния. Обозначение БТ: первый элемент (цифра или буква)-материал п/п-ка: 1 или Г-германий, 2 или К – кремний; второй элемент — буква Т, у полевых — буква П; третий элемент- трехзначный номер -указывает мощность и частотный диапазон; четвертый элемент-(буква) — разновидность транзистора данного типа. Например, ГТ905А — германиевый мощный высокочастотный транзистор, разновидность типа А.

Если эмиттерный переход напряжением U_эб смещен в прямом направлении, а коллекторный переход напряжением U_кб — в обратном (см. рис. 2.9, а, в), то включение транзистора называют нормальным. При перемене полярности напряжений U_эб и U_кб получим инверсное включение транзистора.

Рассмотрим работу БТ типа p-n-p,включенного по схеме с общей базой (рис. 2.11 ).

При наличии источников смещения Е_э и Е_к указанной полярности дырки перемещаются из эмиттера в базу, а электроны из базы в эмиттер. Т.к. концентрация электронов в базе во много раз меньше концентрации дырок в слое эмиттера, то встречный поток электронов значительно меньше. Поэтому при встречном перемещении дырок и электронов произойдет их частичная рекомбинация, а избыток дырок внедряется в слой базы, образуя ток эмиттера.Они перемещаются к коллекторному р-n -переходу. Поток электронов образует маленький базовый ток I_б. Так как толщина базы w_б современных транзисторов составляет единицы микрон, то большая часть дырок достигает коллекторного p-n -перехода и захватывается его полем.При этом в коллекторной цепи проходит ток I_к, замыкая общую цепь тока. Т. о., для токов транзистора справедливо соотношение I_э=I_б+I_к

Перенос тока из эмиттерной цепи в коллекторную характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера h_21б=(ðI_к/ðI_э)_U_кб=_const_, который у современных транзисторов достигает 0,95-0,99 и более. Поэтому I_б≈(0,05 ÷ 0,01) I_э и I_к = (0,95 ÷ 0,99)I_э.

Т. о., изменение тока входной цепи вызывает соответствующее изменение тока в выходной цепи. Поскольку эмиттерный p-n -переход включен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном, то маленькое изменение входного напряжения вызывает значительно большее изменение выходного напряжения. На этом свойстве и основано усилительное действие транзистора.

Хотя коэффициент передачи тока h_21б меньше единицы, коэффициенты усиления по напряжению E_U и по мощности К_Р могут достигать больших значений. Дело в том, что при прямом включении эмиттерного перехода его сопротивление переменному току R_ВХ составляет несколько десятков Ом, а сопротивление коллекторного перехода при обратном включении достигает сотен килоом. Поэтому в выходную цепь транзистора можно включать большое сопротивление нагрузки R_к >>R_ВХ. Тогда коэффициент усиления по напряжению К_U= U_B_ЫХ / U_BX= I_кR_к / I_эR_ВХ= h_21бR_к/R_ВХ >>

и коэффициент усиления по мощности

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Почему биполярный транзистор может усиливать сигналы

Итак, мы уже знаем, что усиление электрических сигналов возможно в приборах с управляемыми потоками электрических зарядов. Однако сама по себе данная фраза ничего не значит. Возникает естественный вопрос: как, имея управляемый поток зарядов и подавая на вход слабый сигнал, на выходе прибора получить сильный сигнал?

Для начала, видимо, следует разобраться в том, что же такое усиление электрических сигналов. Предположим, что мы имеем источник электрического сигнала, который при определенном сопротивлении нагрузки может обеспечить некоторые ток и напряжение сигнала на ней. Если нас не удовлетворяет напряжение на нагрузке, то, используя простейшие пассивные элементы (например, трансформатор), мы можем легко поднять его до необходимого уровня. Расплатой за это будет падение сигнального тока. И наоборот, если мы увеличим ток — снизится напряжение. В любом случае полезная мощность сигнала \(P_C = U_С I_С\) , передаваемая в нагрузку, при добавлении любых пассивных компонентов в схему может только снижаться. Для увеличения этой мощности нужны так называемые активные компоненты — усилители. Именно они позволяют из слабых входных воздействий получать мощные сигналы на выходе устройства.

Что же необходимо для работы усилительного устройства? Рассмотрим простой пример. Водитель автомобиля давит на педаль газа, и чем большее усилие он прикладывает к маленькой педали, тем быстрее едет большой и тяжелый автомобиль. Однако всем известно, что автомобиль двигает не слабый водитель, а мощный двигатель. Т.е. педаль — это лишь средство воздействия на двигатель, который и выполняет всю работу. На таком же принципе основано действие и усилителей электрических сигналов. В них создается отдельный мощный сигнал, который и попадает на выход усилителя, а слабый входной сигнал лишь воздействует на этот мощный сигнал, заставляя его изменяться по тому же закону.

Как уже говорилось, в полупроводниках могут существовать потоки электрических зарядов. Если такой поток протекает от одного электрода полупроводникового прибора к другому, то между этими двумя электродами возникает электрический ток, абсолютная величина которого пропорциональна мощности потока (количеству перемещаемых за единицу времени зарядов). Очевидно, что при определенных условиях с помощью мощного внешнего источника питания мы можем создавать в полупроводниковых структурах самые разнообразные потоки зарядов. Вопрос, однако, заключается в том, как обеспечить воздействие на эти потоки слабого сигнала, который мы хотим усилить. Вернемся теперь к рассмотрению биполярного транзистора.

На рис. 1.2 показана схема, в которой на выводы эмиттера и коллектора транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа подано достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания плюсом к коллектору и минусом к эмиттеру. Если бы между эмиттерной и коллекторной \(n\)-областями транзистора не было тонкой базовой прослойки с проводимостью \(p\)-типа, то очевидно, что в полупроводнике возник бы мощный поток электронов от эмиттера к коллектору.

Рис. 1.2. Схема подачи напряжений на биполярный транзистор n-p-n-типа для обеспечения режима усиления

Однако на практике даже весьма тонкой базовой прослойки оказывается достаточно, чтобы предотвратить это явление. Все изменяется, если мы приложим к базе транзистора некоторое незначительное по величине и положительное относительно эмиттера напряжение (рис. 1.2). При этом эмиттерный p-n-переход транзистора оказывается под напряжением, соответствующим его проводящему состоянию, и в \(p\)-\(n\)-структуре эмиттер—база образуется поток электронов в том же направлении, в котором он мог бы возникнуть при отсутствии базовой области. Электроны, достигая базовой области, по логике должны уходить в базовый электрод, обеспечивая прохождение тока в цепи база—эмиттер транзистора, но на практике происходит другое. Подгоняемые большим напряжением, приложенным между коллектором и эмиттером, электроны быстро пролетают через узкую базовую область и уходят к коллекторному электроду, т.е. возникает тот самый мощный поток зарядов между эмиттером и коллектором, который мы не могли получить ранее. Только крайне незначительная часть электронов попадает в базовый электрод. Таким образом, мы имеем слабый ток в цепи эмиттер—база и сильный ток в цепи эмиттер—коллектор (напомним, что направление электрического тока считается противоположным направлению движения отрицательных зарядов, в нашем случае — электронов). Повышая напряжение на базе транзистора, мы будем наращивать мощность потока электронов, при этом токи в цепях будут расти соответственно.

Итак, оказывается, что в биполярном транзисторе можно создать сильный электрический ток в цепи «коллектор — эмиттер — внешний мощный источник питания» при достаточно слабом токе в цепи «база — эмиттер — маломощный источник сигнала». Причем данное слабое воздействие на базу оказывает управляющее действие на ток в коллекторно-эмиттерной цепи. Если далее в коллекторную или эмиттерную цепь транзистора (рис. 1.2) включить некоторое сопротивление (нагрузку), то окажется, что ток и напряжение на нем повторяют форму входного сигнала на базе транзистора, но мощность, подаваемая на него, гораздо выше мощности входного сигнала, т.е. происходит усиление.

Мы описали работу биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа. Для приборов \(p\)-\(n\)-\(p\)-типа все выглядит совершенно аналогично. Только здесь мы должны рассматривать не потоки электронов, а потоки положительных зарядов — дырок. При этом полярности всех внешних напряжений меняются на обратные. Других отличий нет.

Первый билет

В электронике используются самые различные вещества – проводники, полупроводники, диэлектрики. Они образуют самые разнообразные контакты, в которых наблюдаются контактные явления. Многослойные контакты называют структурами. Примерами контактов являются контакты металлов, призванные беспрепятственно пропускать ток, контакт полупроводников p и n-типа (p-n переход). Примерами структур являются электрический конденсатор, в котором контактируют металл, диэлектрик и снова металл (структура МДМ),
- МДП-структура, в которой контактируют металл, диэлектрик и полупроводник. МДП-структура является основой самого распространённого электронного элемента нашего времени– МДП транзистора.
- m-n переход, контакт металл-полупроводник (m-n или m-p переход), относится к наиболее распространенным в электронике типам контактов. Чаще всего это обычный, омический контакт. Его сопротивление невелико, не зависит от знака и величины приложенного напряжения. Ток в омическом контакте связан с напряжением законом Ома. Такие контакты совершенно необходимы для электрического соединения элементов или их частей друг с другом.
- Контакт p и n полупроводников, или p-n переход, как и m-n переход, является одним из распространенных видов контактов, используемых в электронике. Его главным свойством является односторонняя проводимость, т.е. способность хорошо проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения (прямое напряжение). При обратном напряжении ток на несколько порядков меньше. Как правило, одна из областей p-n перехода имеет намного более высокую концентрацию донорной примеси Nд или акцепторной примеси Nа. Область с большей концентрацией примесей называют также сильнолегированной областью, с меньшей–слаболегированной. Такие переходы называют асимметричными, их сильнолегированную область – эмиттером, слаболегированную – базой. Сильнолегированную область обозначают n + или p +

Здесь изображён БТ со структурой [2] хотя возможна, но менее распространена структура. В работе таких БТ принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие названия: n + – эмиттер (область, “испускающая” носители); р–база и n (нарис.34 – область справа) – коллектор (т.е. область, “собирающая” носители). Каждая область снабжена омическими контактами металл полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором –коллекторный переход (КП).

21. Схема с общей базой, схема с общим эмиттером. Соотношения токов, параметры и статические характеристики.
Схема с общей базой:

Здесь база – общий электрод для входной и выходной цепи, ток которого является алгебраической суммой контурных входного и выходного токов.

Соотношения токов:

В кремниевых транзисторах, наиболее распространённых сегодня, Iкб0 пренебрежимо мал. Поэтому α=Iк/Iэ. Коэффициент передачи эмиттерного тока транзистора в схеме включения с общей базой α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением

Где Rн – сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи; rэ -сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое. Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), Rн может на несколько порядков превышать rэ. Поэтому, Кp может достигать многих тысяч раз. На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции. Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции

Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса К, который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:

Статические характеристики:

Общая база:

Входные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости Iэ(Uэб) при различных Uкб, т.е. ВАХ эмиттерного перехода.

Эти характеристики представляют интерес только при прямых входных напряжениях. Они близки к обычной для ВАХ p-n перехода экспоненте. Положение входной характеристики несколько зависит от выходного напряжения Uкб. При увеличении этого напряжения увеличивается толщина обедненного слоя КП. Следовательно, уменьшается эффективная толщина базы w и возрастает градиент инжектированных в неё свободных электронов dn/dw. Поэтому с ростом Uкб возрастает и диффузионный входной ток (эффект Эрли).
Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости Iк(Uкб) при различных токах эмиттера, т.е. ВАХ коллекторного перехода.

По форме они такие же, как обратная ветвь ВАХ p-n перехода, но смещены от нуля на значение тока, созданного за счет инжектированных из эмиттера в базу электронов. В отличие от ВАХ p-n перехода, их принято помещать в первом квадранте, т.е. в перевёрнутом виде. Выходные характеристики обычно изображают в виде семейства характеристик. Это позволяет графически отразить не только зависимость Iк(Uкб), но и зависимость Iк(Iэ). По отношению к ВАХ p-n перехода выходные характеристики частично смещены в область прямых напряжений. Следовательно, Iк остаётся большим в отсутствие напряжения на КП и даже при небольших прямых напряжениях. Это объясняется тем, что экстракция неосновных

носителей из базы осуществляется собственным полем КП. И только при небольших прямых напряжениях, близких к к0, ток в нём исчезает из-за встречного диффузионного тока КП.

Общий эмиттер:

Входное напряжение в схеме с общим эмиттером UбЭ –это напряжение на ЭП. Входной ток–это почти неизменная часть тока ЭП: Iб ≈ Iэ/β.Поэтому входные характеристики Рис.39 в схеме с общим эмиттером отличаются только обратным проявлением эффекта Эрли, т.е. влиянием выходного напряжения Uкэ на входной ток Iб. Когда с ростом Uкэ КП расширяется, а база сужается, Iб уменьшается из-за уменьшения рекомбинации. Входные характеристики смещаются вправо, а не влево, как в схеме с общей базой.
Выходные характеристики схемы общим эмиттером.

Выходной ток Iк, как и в схеме с общей базой – это ток КП. Выходное напряжение Uкэ — это напряжение на КП плюс напряжение на ЭП: Uкэ=Uкб+Uбэ. Поэтому выходные характеристики на величину Uбэ смещены вправо и целиком находятся в первом квадранте. Из-за того, что выходное напряжение частично приложено и к ЭП, выходные характеристики имеют также более значительный наклон.

36. Устройство и изготовление интегрального биполярного транзистора.

В некоторых отношениях биполярные транзисторы превосходят МДП-транзисторы. Кроме того, сначала в ИС использовались именно БТ. Поэтому, а также в силу инерции производства и рынка, ИС на основе БТ иногда ещё применяются (ИС на интегральных БТ).

На рис. 10 изображён фрагмент подложки ИС с интегральным БТ наиболее распространённой структуры n- p-n. Очевидно, что изготовление такого транзистора потребует намного большего числа технологических операций (сравните с рис. 9).

Самый глубокий слой в таком БТ – это так называемый скрытый n + -слой, т.е. слой с высокой концентрацией примеси. Его нельзя создать диффузией примеси сверху. Поэтому изготовление БТ начинается с эпитаксии на поверхности подложки сплошного n + -слоя. Затем на него наращивается будущий коллекторный n-слой. Эти два слоя потребуется разделить на отдельные островки со структурой n + — n, в каждом из которых будет сформирован БТ. Для разделения островков понадобится первая фотолитография и так называемая разделительная диффузия акцепторной примеси, которая превратит промежутки между островками в кремний р-типа.

Генератор стабильного тока, токовое зеркало, цепь сдвига уровня.

АИС – аналоговые интегральные схемы, использование аналоговых сигналов, описывающихся непрерывными функциями.

Генератор стабильного тока;
Токовое зеркало;
Цепь сдвига уровня;
Дифференциальный усилительный каскад.

Генератор стабильного тока:

Стабилизация напряжения сравнительно просто осуществляется при использовании электрического пробоя p-n перехода (стабилитрон). В таком состоянии напряжение на переходе остаётся практически неизменным даже при больших изменениях тока.

Более сложной задачей является стабилизация тока. Если стабильное напряжение обеспечивается элементами с вертикальной ВАХ (участок пробоя), то для стабилизации тока нужны элементы с горизонтальными ВАХ. Протяженными, почти горизонтальными участками ВАХ обладают выходные характеристики биполярного и МДП транзистора, рис. 37.

Поэтому основным типом генератора стабильного тока (ГСТ) является БТ или МДП транзисторы, включённые последовательно с цепью, в которой нужно стабилизировать ток (стабилизиремая цепь, СЦ на рис. 38 а,б,в). Величина стабилизируемого тока I₀ определяется режимом транзистора ГСТ, который задаётся входным током I _б0 в схеме с БТ или входным напряжением U_зи0 в схеме с МДП транзистором. На рис. 38, представлена простейшая схема задания режима ГСТ. Здесь R1, R2, R3 определяют входной ток БТ, а диод D компенсирует температурные изменения режима.

Рис. 38, а,б,в

Токовое зеркало:

В АИС нередко возникает задача создания одинаковых или пропорциональных друг другу токов сразу в нескольких стабилизируемых цепях СЦ, рис. 39. Её решением является применение схемы «токовое зеркало».

В такой схеме необходимое значение I ₀ задается сопротивлением R. При этом у Т1 установится некоторое напряжение U_бэ0. Так как все транзисторы схемы соединены участками база-эмиттер параллельно, такое же напряжение U _бэ0 установится у всех транзисторов схемы. Если транзисторы одинаковые, что легко обеспечивается при интегральной технологии изготовления, одинаковые режимы одинаковых транзисторов приведут к равенству токов всех СЦ требуемой величине I₀. Таким образом, режимы «ведомых» транзисторов Т2, Т3, Т4… повторяют, «отражают» режим ведущего транзистора Т1. С этим и связано происхождение названия схемы.

Если необходимо неединичное отношение n токов ведущего и ведомого транзисторов, их изготавливают неодинаковыми. При этом изменяют только площадь эмиттерного перехода БТ, что не приводит к усложнению изготовления ИС. Поскольку ток инжекции и выходной ток БТ пропорциональны площади эмиттерного перехода S _э , у любого ведомого БТ, например у Т_n, можно получить ток nI₀, где n = S_эn / S_э1.

Аналогичные схемы применяются в МДП ИС.

Цепь сдвига уровня:

АИС, как правило, имеют многокаскадную структуру. Включение усилительных каскадов один за другим позволяет получить любой желаемый коэффициент усиления:

постоянные (режимные) напряжения на входе и выходе могут отличаться на любую желаемую величину. В типичном случае это отличие может составлять несколько Вольт;
переменное напряжение (сигнал) должно передаваться от каскада к каскаду с возможно меньшим затуханием.

На рис. 41 представлена типичная ЦСУ в АИС на биполярных транзисторах. Здесь цепочка диодов D1, D2,

… D _n _{создаёт} необходимый Сдвиг уровня. Напряжение на переходах диодов – прямое, поэтому все они

открыты. Напряжение U* на каждом из них составляет около 0,6…0,7 В. Ещё одно такое же напряжение возникает на открытом эмиттерном переходе вспомогательного транзистора Т. Поэтому полная разность напряжений на входе и выходе ЦСУ составляет (n+1) ∙U* Вольт. Этот сдвиг можно изменять, изменяя количество диодов.

Такая схема отвечает и второму условию. Так как все p-n переходы ЦСУ открыты, они обладают малым дифференциальным сопротивлением (сопротивлением переменному току, т.е. сигналу).

Что такое дрейфовый бт и почему он лучше диффузионного бт?

При равномерном распределении примеси в базе внутреннее электрическое поле в ней отсутствует, и неосновные носители движутся вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми. При неравномерном распределении примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле, и неосновные носители движутся в ней в результате дрейфа и диффузии. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Собственное поле в такой базе – ускоряющее для неосновных носителей и сила Кулона FK заставляет их дрейфовать к КП и в результате пересекать базу быстрее (дрейфовый транзистор). Поэтому время пребывания в такой базе (время пролёта) меньше, вероятность рекомбинации и потери из-за неё меньше, частотные и импульсные свойства – лучше.

Как возникает ток базы и какие он имеет составляющие?

Ток базы имеет две составляющие – рекомбинационную, связанную с рекомбинацией носителей заряда в базе и обратный ток КП, связанный с приложенным к нему обратным напряжением.

Почему усиление бт по мощности может достигать тысяч раз?

В схеме с ОБ, коэффициент усиления по мощности определяется по формуле , где: α – Коэффициент усиления по току в схеме с ОБ (незначительно меньше 1), R_н – Сопротивление нагрузки, r_э – Собственное сопротивление ЭП (достаточно мало).

Таким образом, при достаточном R_н, достигается большой коэффициент усиления по мощности. Правда, достигается он только в том случае, если входной сигнал имеет крайне малую мощность – в случае с уже достаточно мощным входным сигналом, для достижения такого же K_P (что требует такого же R_н), как и в случае с маломощным сигналом, потребуется повышение напряжения питания усилителя, иначе невозможно будет развить требуемую мощность (мощность определяется как , а напряжение питания транзисторных схем ограничено сверху).