 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Биполярный транзистор
|
Читайте также: |
Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляют два взаимодействующих электронно-дырочных перехода и который имеет три вывода или более. Типы: р-п-р и п-р-п.
Рис.1.15. Конструкция биполярного транзистора типа р-п-р.
На пластинку 3германия с электронной проводимостью - базу, с обеих сторон наплавлен индий, поэтому на обеих сторонах базы создаются области с дырочной проводимостью. Одна выпол- няет функцию эмиттера,вторая – коллек- тора. При этом со стороны эмиттера действует эмитерный электронно-дыроч- ный переход, а со стороны коллектора - коллекторный. Кристалл 3 помещают в кристаллодержатель 4,припаянный ко дну корпуса1. Вывод базы крепится к корпусу, а внутренние выводы эмиттера 2 и коллектора 5 через изолятор 7 соединяются с наружными выводами 6.Транзистор типа п-р-п имеет аналогич- ную конструкцию.
Рис.1.16.Условное обозначение транзистора типа
р-п-р (а) и п-р-п (б)
1.4.1.Физические процессы в биполярном транзисторе. Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных носителей эл. зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу.
Рис.1.17.К принципу действия биполярного транзистора.
При использовании транзистора в режиме усиления эмиттер.переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию (впрыскивание) основных носителей эмиттера в базовую область. Коэффициент инжекции γ - отношение тока носителей эмиттера I э׳к общему току эмиттера I э– совокупности осн. носителей эмиттерной области и осн. носителями базовой области: γ= I э׳/ I э= I э׳/(I э׳׳+ I э׳). Для повышения эффективности эмиттера и уменьшения составляющей базов.тока I э׳׳ область эмиттера делают с большей концентрацией осн. носителей, чем в области базы. Инжектируемые эмиттером основные носители в базовой области являются неосновными. При прямом смещении эмиттерного перехода количество неосновных носителей в базе значительно возрастает. В результате в базовой области создается диффузионный поток неосновных носителей в направлении от эмиттерного перехода к коллекторному. Неосн.носители базы под д е й с т в и е м ускоряющего поля втягиваются в область коллектора и создают управляемый коллекторный ток I ку. Малое количество инжектированных в базу носителей рекомбинируют с основными носителями базы, создавая в базовой цепи небольшой ток рекомбинации I р - один из составляющих базового тока. Для уменьшения тока рекомбинации ширину базовой области делают малой.
Переход неосновных носителей через базу в коллектор характеризуется коэффициентом переноса носителей δ = I ку / I э׳, показывающим, какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллекторного перехода.
Важным параметром является коэффициент передачи тока эмиттера -отношение приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе: α = Δ I к / Δ I э при Uк= const.
Данный коэффициент мало отличается от единицы (α =0,95-0,99). Кроме I к, в коллекторной цепи протекает ещё небольшой обратный ток коллекторного перехода I кбо, созданный неосновными носителями коллектора и базы. При изменении окружающей температуры обратный ток нарушает стабильность работы транзистора, т.к. общий коллекторный ток равен сумме I к= I ку+ I кбо. При повышении температуры I кбо дополнительно разогревает коллекторн. переход.
При малых значениях обратного тока коллекторный ток равен I к= α I э. Кроме эмиттерного и коллекторного токов в транзисторе имеется базовый ток, состоящий из трёх составляющих: ток рекомбинации Ip; ток диффузии основ- ных носителей базы через эмиттерный переход I д и обратный коллекторный ток I кбо, направленный против I к: I б = Ip + Iд - Iкбо
Т.к. I к = I э - I б, то базовый ток стремятся сделать как можно малым, уменьшая ширину базовой области и концентрации в ней примеси.
Т.к. коллекторный ток является частью эмиттерного, а эмиттерный ток можно менять, регулируя потенциал базы, то транзистор-это прибор для усиления и генерирования эл. колебаний.
1.4.2.Схемы включения транзисторов. В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для его входной и выходной цепи, различают три схемы его включения.
Рис.1.18. Схемы включе-ния биполярного транзис- тора:а)с общей базой;
б) с общим эмиттером;
в) с общим коллектором.
Схема ОБ. В этой схеме
I вхб= I э, I выхб= I к= α I э, U вхб =U эб, U выхб =U кб.Входное сопротивление R вхб= R эб= U вхб / I вхб, выходное R выхб= R кб= R н. Т.к. эмиттерный переход открыт, то входное сопротивление мало(единицы-десятки Ом).
Коэффициент передачи тока эмиттера(коэффициент усиления по току) Ki б= I выхб / I вхб= I к / I э = α I э / I э = α < 1. Схема с общей базой не обладает усилением по току.
Коэффициент усиления по напряжению Ku б= U выхб / U вхб= U кб / U эб = I к R н / I э R эб =α I э R н / I э R эб= αR н / R эб. Т.к.отношение R н / R эб>> 1, то схема с общей базой обладает усилением по напряжению.
Коэффициент усиления по мощности Kр б= Р выхб / Р вхб= I к U кб / I э U эб =α I э U выхб / I э U вхб = α2R н / R эб. Т.к.отношение R н / R эб> α2, то схема с общей базой обладает некоторым усилением по мощности.
Схема ОЭ. I вхэ= I б= I э(1- α), I выхэ= I к= α I э, U вхэ =U эб, U выхэ =U кэ. Входное сопро- тивление R вхэ= R эб= U вхэ / I вхэ= U эб / I э(1- α)= R вхб / (1- α), выходное R выхэ= R кэ= R н. Расчет показывает, что R вхэ> R вхб примерно на 2 порядка.
Коэффициент усиления по току Ki э= I выхэ / I вхэ= I к / I э(1- α) = α / (1- α) > 1. Схема с общим эмиттером обладает усилением по току.
Коэффициент усиления по напряжению Ku э= U выхэ / U вхэ= U кэ / U эб = I к R н / I б R эб =α I э R н / I э(1- α) R эб = αR н(1- α) / R вхб(1- α)= αR н / R вхб>>1. Схема с общим эмиттером обладает усилением по напряжению и меняет фазу U выхэ на 1800.
Коэффициент усиления по мощности Kр э= Ki э Ku э= α / (1- α) ×αR н / R вхб = (α2R н / R эб) / (1- α)= Kр б / (1- α). Схема с общим эмиттером имеет наибольшее усиление по мощности.
Схема ОК. I вхк= I б= I э(1- α), I выхк= I э, U вхк =U кб, U выхк =U кэ.
Входное сопротивление R вхк= R кб= U вхк / I вхк= U кб / I э(1- α)=(R н + R вхб) / (1- α), выходное R выхк= R кэ= R н.Коэффициент усиления по току Ki к= I выхк / I вхк= I э / I э(1- α) = 1 / (1- α) > 1. Схема с общим коллектором обладает усилением по току.
Коэффициент усиления по напряжению Ku к= U выхк / U вхк = I э R н / I э(1- α) R вхк =I э R н(1- α) / I э(1- α)(R н + R вхб) = R н / (R н +R вхб) ≈1. Схема с общим коллектором не обладает усилением по напряжению.
Коэффициент усиления по мощности Kр к= Ki к Ku к=1 / (1- α)×1≈1 / (1- α). Схема с общим коллектором обладает усилением по мощности.
1.4.3. Статические ВАХ и параметры транзисторов. Вольт-амперные характеристики представляют собой графики зависимости токов от напряжений, действующих в цепях транзистора. Различают входные и выходные характеристики транзисторов.
Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжения при неизменном напряжении на коллекторе.
Выходные характеристики характеризуют зависимость выходного тока от напряжения на коллекторе при неизменной величине входного тока или напряжения. В соответствии с тремя схемами включения транзистора различают характеристики для схемы с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.
Рассмотрим характеристики для схемы с общей базой.
Входная характеристика - зависимость тока эмиттера от напряжения между эмиттером и базой при постоянном напряжении между коллектором и базой (рис. 1.19, а): I э = f (U эб) при U кб = const. ВАХ при U кб=0 аналогична характе- ристике полупроводникового диода при прямом включении. Эмиттерный ток экспоненциально возрастает с увеличением напряжения между эмиттером и базой. В области больших прямых токов входные характеристики близки к линейным.
Выходные (коллекторные) характеристики схем с общей базой показы-вают зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и базой при неизменном токе эмиттера: I к = f (U кб) при I э= const. (рис. 1.19,б).
Рис. 1.19.Входные (а) и выходные характеристики (б) биполярного транзистора для схемы ОБ.
Рис. 1.20.Входные (а) и выходные
характеристики (б) биполярного
транзистора для схемы ОЭ.
Входной характеристикой данной схемы (рис. 1.20,а) является график зависимости тока базы от напряжения между базой и эмиттером I б = f (U эб) при U кэ= const. При U кэ= 0 входная характеристика идет из начала координат и представляет собой ВАХ прямого тока эмиттерного и коллекторного переходов, поэтому входная характеристика, снятая при U кэ=0, занимает крайнее левое положение в семействе входных характеристик. При увеличении напряжения U кэ входные характеристики сдвигаются вправо, т.к. с ростом напряжения вероятность рекомбинаций неосновных носителей в области базы уменьшается, что уменьшает ток базы и увеличивает коллекторный ток.
На рис. 1.20,б показано семейство выходных (коллекторных) характерис-тик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Каждая коллек-торная характеристика характеризует зависимость коллекторного тока от напряжения на коллекторе при определенном токе базы: I к = f (U эк) при I б= const. Коллекторные характеристики схемы с общим эмиттером выходят из начала координат, которые при малых U кэ идут более круто, чем при больших. С ростом базового тока коллекторные характеристики располагаются выше, т.к. увеличение базового тока есть следствие увеличения тока эмиттера, а значит и тока коллектора.
Статические параметры транзистора. Статические параметры, характеризующие свойства транзистора, можно разделить на параметры малых сигналов и физические (собственные).
Параметры малых сигналов. При малых сигналах транзистор можно рассматривать как линейный актив-ный четырехполюсник, схема которого показана на рисунке слева. Напряжения и токи четырехполюсника связаны между собой системами уравнений. Коэффициенты уравнений являются параметрами транзистора. Часто используют h -параметры: U 1 = h 11 I 1 + h 12 U 2;
I 2 = h 21 I 1 +h 22 U 2.
Коэффициенты h 12, h 21, h 11 и h22 имеют определенный физический смысл и являются параметрами транзистора. Решая систему уравнений, нетрудно определить ее коэффициенты-параметры:
h11=U1 / I1при U2=0 - входное сопротивление при к.з. на выходе;
h 12 =Ul / U2 приI1 = 0 - коэффициент обратной передачи при х.х. на входе;
h 21= I 2 / I1приU2=0- коэффициент усиления потоку при к.з. на выходе;
h 22= I 2 / U 2приI1 = 0 - выходная проводимость при х.х. на входе,
где h11, h12, h22и h21 являются входными и выходными параметрами.
Параметры транзистора могут быть определены из семейства входных и выходных характеристик транзистора.
К физическим параметрам относятся: r э —сопротивление эмиттерного перехода с учетом объемного сопротивления эмиттерной области (несколько десятков омов); r к —сопротивление коллекторного перехода (несколько сотен килоом до мегаОма); r б —объемное сопротивление базы (сотни Омов).
Динамический режим транзистора. В практических устройствах электроники наиболее широкое распространение получила схема с общим эмиттером, обладающая наибольшим усилением по мощности.
Рис.1.21. а)Схема соединения б.п. транзистора с общим эмиттером;
б)Выходная(коллекторная)
динамическая характеристика.
В выходную (коллекторную) цепь включена нагрузка R к, а во входную (базовую) цепь — источник входного сигнала с напряжением Uвх. Увеличение тока базы вызовет возрастание тока в цепи коллектора и уменьшит напряжение на коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны уравнением Uкэ= Е к– I к R к.Такой режим работы транзистора называют динамическим, а характеристики связи между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления нагрузки - динамическими характеристиками. Динамические характеристики строят на семействе статических при заданных значениях напряжения источника питания коллекторной цепи Ек и сопротивления нагрузки R к.Для построения выходной (коллекторной) динамической характеристики (рис. 1.21,б) используют уравнение динамического режима - уравнение прямой. Для этого откладывают отрезки, отсекаемые прямой на осях координат. При I к= 0 Uкэ= Ек и при Uкэ= 0 Iк = Eк / Rк. Отложив на соответствующих осях напряжение Eк и ток Iк, через полученные точки проводят прямую АВ - динамическую выходную характеристику (нагрузочная прямая).
Для получения неискаженного усиления входного сигнала, исходную рабо-чую точку Б, или точку покоя, около которой происходят колебания, выбирают примерно в середине участка динамической характеристики, т. е.при Uкэ р = 0, 5 Ек, где изменение I к прямо пропорционально изменениям Iб. Точка покоя характеризуется напряжением на коллектореUкэp и током базы Iбз, которым соответствует ток покоя коллектора Iкр.
Поиск по сайту: