Биполярный транзистор

Слово транзистор образовано из двух составляющих: trans – переносить, rezist – сопротивление.

Транзистор – это усилительный нелинейный элемент. Существуют две разновидности транзисторов – Биполярный и полевой.

Биполярный транзистор имеет два взаимодействующих выпрямляющих p-n перехода. Транзисторный эффект проявляется только когда эти p-n переходы выполнены очень близко друг от друга внутри одного монокристалла.

Такая структура представляет собой два диода с общей базой, включенной навстречу друг другу, получаем следующие схемы транзисторов: а). структура слоев, б). эквивалентная схема из двух диодов, в). условное обозначение

а)

б)

в)

Выводы транзистора обозначаются:

Э – эмиттер

К – коллектор

Б – база

Также обозначены эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) п-р переходы.

В зависимости от чередования слоев бывают транзисторы п-р-п и р-п-р структуры.

Усилительные свойства биполярного транзистора обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда обеих полярностей – дырок и электронов.

Инжекция – ввод неосновных для этой области носителей заряда под действием прямого напряжения. Инжекция происходит из области зарождения зарядов, то есть области, подключенной к прямому напряжению (чаще всего из эмиттера в базу в схеме с общим эмиттером).

Экстракция – извлечение основных носителей для данной области под действием обратного напряжения. Экстракция происходит из промежуточной области в выходную (чаще всего из базы в коллектор в схеме с общим эмиттером).

Итак, транзистор имеет два p-n перехода. Первый, примыкающий к эмиттеру, называется эмиттерным, он является главным, определяющим.

Обычно, чаще всего к ЭП подключено прямое напряжение, а к КП – обратное.

Расстояние между переходами, т.е. толщина базы «b» должна быть меньше диффузионной длины электрона, т.е. длины свободного пробега от момента генерации до рекомбинации – L, но меньше длины волны электрона – .

Если b>L, то основная масса электронов застрянет в базе, если b< , то возможно просачивание электронов сквозь транзистор, а следовательно потери тока.

В зависимости от способа легирования базы различают дрейфовые и диффузионные транзисторы.

Диффузионные основаны только на процессах диффузии, при этом база однородна.

Если база неоднородна, то у носителей заряда к процессу диффузии добавляется дрейф в электрическом поле базы.

Обозначим N – количество легирующих примесей в транзисторе, тогда N_э – количество легирующих примесей в эмиттере, N_Б – в базе, N_к – коллекторе. Для стабильной работы транзистора должно выполняться следующее неравенство:

N_э> N_к >> N_Б.

Разберем работу n-p-n транзистора.

Под действием прямого напряжения электрон попадает в базу из эмиттера – инжекция. Имеем прямо смещенный эмиттерный переход. Величина напряжения открытия ЭП 0.2В для Ge, 0.7В для Si. В это же время происходит инжекция дырок из Б в Э, но т.к. N_Б<N_э то этим можно пренебречь. Электроны, инжектируя в базу образуют эмиттерный ток I_Э.

Часть электронов, инжектированных эмиттером будет рекомбинировать в базе с дырками, образуя ток базы I_Б, но т.к. N_Б << N_э, то I_Б очень мал. Подавляющая часть электронов доходит до коллекторного перехода, который смещен в обратном направлении, и там захватываются электрическим полем перехода и перебрасываются в квазинейтральную область коллектора (экстракция электронов), образуя коллекторный ток I’_к. Эффективность перемещения электронов через базу учитывается коэффициентом передачи тока эмиттера

I’_К = I_Э (1)

- статический коэффициент передачи тока Э.

= 0,993…0,999

Так как ≈1, следовательно I_К I_Э (2)

Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток базы I_КБО, образованный потоком дырок из коллектора в базу под действием прямого (для дырок) напряжения, таким образом можно записать:

I_К =I_К + I_КБО

I_Б =I_Б + I_КБО

I_К =I_Э + I_КБО

Так как I_Э>>I_КБО, при нормальной температуре, следовательно им можно пренебречь

Запишем первый закон Киргофа для точки соединения эмиттера, базы и коллектора:

I_Б = I_Э - I_к

I_Б = I_к/- I_к

I_Б = I_к( )

I_к = I_Б() =

- динамический коэффициент передачи тока, >>1

I_к = I_Б (3)

Из выражений 2 и 3 следует, что транзистор – управляемый элемент, причем управляется током, т.к. значение выходного тока I_к зависит от значений входных токов: I_Б и I_Э. Ток базы является управляющим, ток эмиттера задающим. Ток базы очень мал по сравнению с током коллектора, поэтому биполярный транзистор – прибор, усиливающий ток.

Реальная структура БП транзистора

Каждый из переходов имеет боковую и донную части. Рабочая область расположена под донной частью эмиттерного перехода. Заштрихованные области – паразитные сопротивления.

Сопротивление прямосмещенного ЭП мало – сотни Ом, а сопротивление обратносмещенного КП очень велико порядка мега Ом, следовательно в коллекторную цепь можно включать нагрузку с большим сопротивлением не изменяя I_К, следовательно, т.к. I_к I_Э и R_КП>>R_ЭП, то по формуле P=I²R – транзистор является усилителем мощности.

Далее так как U_ЭП0,3…0,7В, U_КП10…30В, следовательно U_ЭП<< U_КП значит транзистор – усилитель напряжения.

§3.2 Режимы работы:

В зависимости от способа подключения (прямое, обратное) ЭП и КП различают следующие режимы работы транзисторов:

Нормальный или активный – ЭП – прямое включение, КП – обратное, при этом α – максимален, искажения сигнала –минимальны.

Инверсный – переходы подключены наоборот, и так как N_K < N_Э, то активная область уменьшается, следовательно α –минимален. На практике применяется очень редко, например при создании базовых логических элементов интегрально-инжекторной логики.

Двойной инжекции или насыщения – оба перехода подключены в прямом направлении. I_К не зависит от I_Б и I_Э, определяется только параметрами нагрузки. Т.к. U_КЭ мало, используется для замыкания цепей.

Отсечки – к обоим переходам подключены обратные напряжения I_К0 используется для размыкания цепей.

Основной режим работы для аналоговых приборов – активный,. Насыщения и отсечки для цифровых.

§3.3 Схемы включения транзисторов

Транзистор можно представить в виде четырехполюсника, если один из выводов одновременно подключить к входу и выходу. В зависимости от того какой из них является общим для входа и выхода различают схемы с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

· Транзистор, независимо от способа включения, всегда усилитель мощности

· Схема с ОЭ усиливает так же напряжение и ток

· Схема с ОБ усиливает только напряжение

· Схема с ОК только ток

ОЭ

+U_пит

Входной сигнал между Эмиттером и Базой, нагрузка между Коллектором и Эмиттером, R_вх ≈10 Ом и R_вых ≈ 10 кОм невелики. I_вх = I_Б, I_вых = I_К; U_вх=U_БЭ, U_вых=U_КЭ.

R_вх сотни Ом и R_вых 10 десятки кОм, I_вх = I_Э, I_вых = I_К; U_вх = U_ЭБ, U_вых = U_КБ

Применяется при работе на высоких частотах.

ОК – эмиттерный повторитель

I_K

I_Э

I_Б

R_вх сотни кОм и R_вых десятки Ом; I_вх = I_Б, I_вых = I_Э; U_вх = U_БК, U_вых = U_ЭК

Независимо от схемы включения управляющий переход всегда эмиттерный, а управляемая цепь, сопротивление которой меняется – эмиттерно-коллекторная. В активном режиме назависимо от схемы включения ЭП – всегда включен в прямом направлении, КП – в обратном (см рис).

Параметры транзистора

Основные параметры транзистора– коэффициенты усиления

по току K_I =

по напряжению K_U =

по мощности K_Р = = = K_U K_I

входное сопротивление R_вх =

выходное сопротивление R_вых =

§3.4 Классификация и маркировка транзисторов

Транзисторы классифицируются по частоте и мощности рассеивания

	низкочастотные 0.3 МГц	среднечастотные 0.33	высокочастотные 3 <30
маломощные P0.3 ВТ
Средней мощности 0.3 < P1.3 Вт
мощные P > 1.3 Вт

СВЧ > 30МГц

Например, транзистор марки КТ313А – первая буква обозначает материал (К – кремний, Г – германий), вторая буква – марку (Т – биполярный, П – полевой), первая цифра обозначает класс, вторая, третья и буква – обозначения завода изготовителя. Т.е. наш транзистор – кремниевый, биполярный, маломощный, высокочастотный.

§3.3 ВАХ транзисторов

Входные характеристики

Для схемы с ОЭ это зависимость I_Б от U_БЭ при заданном U_КЭ = const. Входные характеристики нелинейны, они похожи на ВАХ диода. По входной характеристике можно определить R_вх, для этого берется и соответствующий - это дифференциальное сопротивление по переменному току.

U_кб=0

Выходные характеристики – зависимость I_К от U_КЭ при I_Б = const, характеристика так же нелинейна.

до 6 мкА ток растет быстро, потом почти не увеличивается.

Выходные характеристики дают количественную связь между I_Б, I_К, U_КЭ.

По ним можно найти R_вых =

Область левее кривой U_кб=0 называется областью насыщения. Область между U_кб=0 и I_б=0 называется активной, ниже I_б=0 – область отсечки.

§3.6 h – параметры

По выходным ВАХ видно, что в области малых сигналов ВАХ линейна, и, кстати, все линии имеют одинаковое сопротивление, поэтому только в этой области работа транзистора может быть описана системой линейных уравнений, которые выражает зависимость выходного тока I₂ и входного напряжения U₁ от входного тока I₁ и выходного напряжения U₂, h – параметры это параметры при переменных системы линейных уравненийю.

применительно к схеме с ОЭ

для переменного синусоидального сигнала

заменяя комплексами получаем

h – параметры находятся экспериментально

при U_КЭ =const, физический смысл – выходное сопротивление

при I_Б =const, физический смысл – величина обратная коэффициенту усиления по напряжению

при U_БЭ =const, физический смысл – коэффициент усиления по току

при I_Б =const, физический смысл – выходная проводимость

§3.6 Температурная нестабильность

I_КБО – очень мал(Ge – 1-30 мкА, Si - <1 мкА), но с повышением температуры на каждые 10 градусов увеличивается в два раза, следовательно, при разогреве транзистора могут меняться K_I, K_U, R_вх, R_вых, частота.

Для избежания

1. Использование транзисторов с наименьшим I_КБО

2. Использование обратных связей, чтобы I_КБО стабилизировался.

§3.7 Частотная зависимость

f_a – частота при которой предельная частота усиления по току.

f_гр = f_т – граничная частота передачи по току, при которой h₂₁ = 1.

Для определения полосы пропускания строят график зависимости коэффициента усиления по напряжению от частоты – амплитудно-частотная характеристика; затем находят максимальное значение коэффициента и делят его на корень из двух. Через точку проводят прямую параллельную оси частот, на графике она отсекает верхнюю – и нижнюю – частоту пропускания транзистора.

Дата добавления: 2014-01-06