Тема 1.4 Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводнико­вый кристалл, имеющий три области с чередующимся типом проводимости. Две крайние области имеют одинаковый тип проводимости, а средняя, находящаяся между ними, - противоположный. Таким образом, существуют транзисторы р-п-р и п-р-п. Концентрации основных носителей в трех областях различны по своей ве­личине. В соответствии с концентрацией основных носителей и с процессами, происходящими в транзисторе, области называются: эмиттер, база, коллектор. Таким образом, создаются два р-п перехода - эмиттерный (между эмиттером и базой) и коллекторный (между коллектором и базой). При использовании транзисторов в качестве элементов схем к каждому его р-п переходу подключается внешнее постоянное напряжение, смещающее переход в том или ином направлении.

Имеется три основных режима работы транзистора:

активный, когда эмиттерный переход смещают в прямом направлении, а коллекторный - в обратном;

насыщения, когда оба перехода смещены в прямом направлении;

отсечки, когда оба перехода смещены в обратном направлении.

Принцип действия транзистора рассматривается на примере работы его в активном режиме. Необходимо очень хорошо разобраться в физических процессах, происходящих в транзисторе. Здесь имеют место:

инжекция носителей зарядов из эмиттера в базу через пони­женный потенциальный барьер прямо направленного эмиттерного перехода;

рекомбинация носителей зарядов в базе;

экстракция носителей заряда из базы в коллектор под действием ускоряющего электрического поля обратно направленного коллекторного перехода.

Процессы, происходящие в транзисторе, вызывают движение электронов в подводящих внешнее напряжение выводах. По ним протекают эмиттерный I_э, базовый I_б, и коллекторный I_к токи. Следует разобраться, какие процессы приводят к появлению этих токов. Необходимо хорошо усвоить основной вывод из рассмотре­ния физического принципа действия биполярного транзистора, т.е. требуется знать и уметь использовать основное соотношение, связывающее три тока транзистора: I_э=I_к+I_б.

Так как концентрация основных носителей в базе и ее толщина наименьшие, то процесс рекомбинации в базе минимален и I_к»I_б.

При использовании транзисторов различают две электрические цепи: входная, в которую включается источник сигнала, и выходная, в которую включается нагрузка. Для получения двух замкнутых цепей при трех выводах транзистора один из этих выводов делают общим для входной и выходной цепей. Поэтому имеется три возможные схемы включения биполярного транзистора: с об­щим эмиттером, с общей базой и с общим коллектором.

Режим работы транзистора, когда к нему приложено только постоянное напряжение, а в выходной цепи не включено сопротивление нагрузки, называют статическим. При этом зависимости между соответствующими токами и напряжениями прибора называются статическими вольт-амперными характеристиками.

Входной характеристикой транзистора называется графически выраженная зависимость величины входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении.

Выходной характеристикой транзистора называется графически выраженная зависимость величины выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.

Схема с ОБ. Входной характеристикой транзистора с ОБ называется зависимость

I_э=f(U_эб)

U_кб=const.

Выходной характеристикой транзистора с ОБ называется за­висимость

I_к=f(U_кб)

I_э=const.

Следует разобраться в ходе этих характеристик. Надо также обратить внимание на выходную характеристику при I_э=0. Про­текающий при этом выходной ток называется обратным током коллектора I_КБО. Он является справочным параметром транзистора. В общем случае коллекторный ток в схеме с ОБ определяется по формуле

I_К = I_КБО + αI_э.

Транзистор как прибор, представляющий собой два взаимо­действующих р-п перехода, может быть представлен эквивалент­ной схемой. В целом эта эквивалентная схема должна учитывать сопротивления обоих переходов, сопротивления эмиттера, базы и коллектора, а также усилительные свойства транзистора (включе­нием генератора тока в его выходную цепь). Такая схема может заменить транзистор для расчетов на низких частотах (до 20 кГц) при малой амплитуде сигнала, получаемого от источника.

Однако удобнее представить транзистор в виде активного че­тырехполюсника, имеющего два входных зажима (входной и об­щий электроды) и два выходных зажима (выходной и общий элек­троды). На входе такого четырехполюсника действует U_BXи про­текает I_ВХ, на выходе - U_BЫXи I_ВЫХ. По теории четырехполюсника эти четыре величины связаны си­стемой двух уравнений. Задавая конкретные постоянные значения любым двум из этих величин, можно определить соответствующие две другие величины из системы уравнений. Величины, которым задаются определенные числовые значения, называются независи­мыми переменными, а величины, определяемые из уравнений - за­висимыми переменными.

Приняв за независимые переменные входной ток I_ВХ, и выход­ное напряжение U_BЫX, можно определить U_BXи I_ВЫХ через I_ВХ и U_BЫX. Коэффициенты пропорциональности в системе уравнений

U_BX= h₁₁I_ВХ + h₁₂U_ВЫХ

I_ВЫХ = h₂₁I_ВХ + h₂₂U_ВЫХ

называются h-параметрами транзистора. Они имеют определенный физический смысл. Знать их физический смысл и, соответственно, единицы их измерения обязательно. Величины этих параметров зависят от режима работы транзистора, т. е. от положения рабо­чей точки (р.т.) на его характеристиках. Надо научиться опреде­лять параметры графическим методом по характеристикам. Сле­дует помнить, что дифференциальные h-параметры определяются через приращение токов и напряжений, а не через их значения в рабочей точке.

С увеличением частоты входного сигнала усилительные свойст­ва транзисторов падают. Это происходит в основном по двум при­чинам. Первая причина заключается в инерционности диффузи­онного движения через базу инжектированных в нее носителей: на высоких частотах время пролета носителей через базу становится сравнимым с периодом входного сигнала. В результате коллектор­ный ток отстает по фазе от тока эмиттера и уменьшается по ве­личине. Возникший фазовый сдвиг растет с увеличением частоты. При этом ток базы увеличивается.

Другой причиной, снижающей усилительные свойства транзи­сторов на высоких частотах, является влияние емкости коллектор­ного переходаС_к. Объясняется это тем, что на высоких частотах в эквивалентной схеме транзистора должны учитываться емкости переходов. Емкость эмиттерного перехода учитывается только на очень высоких частотах, потому что сопротивление эмиттерного пе­рехода, смещенного в прямом направлении, мало. Сопротивление же обратно направленного коллекторного перехода велико, и на высоких частотах сказывается шунтирующее действие емкости. Благодаря этой емкости часть энергии с выхода транзистора отво­дится на его вход, т. е. возникает обратная связь. Элементом этой обратной связи является сопротивление базы . Поэтому частот­ные свойства транзисторов определяются постоянной времени це­пи обратной связи С_к.

Следует ознакомиться с основными электрическими парамет­рами транзистора h_21э, f_гр, I_КБО, С_к, , I_КЭО, К_Ш, а также с параметрами предельного режима (Р_{к макс}, U_{КЭ макс}, U_{КБ макс}, I_{К макс}, t_{i макс}, U_{БЭ макс}, R_{Т п.с}, необходимо уяснить смысл этих параметров, разобраться в факторах, которыми огра­ничиваются предельно допустимые эксплуатационные параметры. Классифицируются транзисторы в основном по максимально допустимой рассеиваемой мощности и диапазону рабочих частот. Эти различия определяют обозначение транзисторов. Необходимо как следует разобраться в системе обозначения транзисторов и научиться пользоваться справочным материалом для выбора транзистора.

Дата добавления: 2015-06-27