Проходная характеристика биполярного транзистора

Биполярные транзисторы. Виды и характеристики. Работа и устройство

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

• Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
• Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
• Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
• Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы I_б. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I _э = I _б + I _к.

Характеристики

• Коэффициент усиления тока β = I_к / I_б.
• Коэффициент усиления напряжения U_эк / U_бэ.
• Сопротивление на входе.
• Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление R_L, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С₁, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки R_L, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С₁, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R₁, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik R k +Vk e .

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения V_БЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью V ke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении I_В ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью I k и наиболее крутым графиком.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Режимы работы усилительных элементов. Понятие о проходной динамической характеристике

Понятие о проходной динамической характеристике. Режимы работы усилительных элементов определяются положением рабочей точки на проходной динамической характеристике. Проходной динамической характеристикой называется зависимость выходного тока от входного напряжения. Для транзистора, включённого по схеме с ОЭ, зависимость будет
Iк = f (Uбэ). Проходная динамическая характеристика может быть построена по входной и выходной характеристикам транзистора. Iк = f (Uб).

Режим работы класса А.
В режиме работы класса А рабочая точка устанавливается на линейном участке проходной динамической характеристики. Для этого между базой и эмиттером транзистора при помощи одной из схем питания цепи базы необходимо создать постоянную составляющую напряжения, которая называется величиной напряжения смещения. При отсутствии переменной составляющей усиливаемого сигнала рабочая точка называется рабочей точкой покоя. Рассмотрим рисунок. До момента времени t1 переменная составляющая входного сигнала отсутствует, и под действием величины Eсм в коллекторной цепи транзистора будет протекать постоянная составляющая коллекторного тока, которая называется током покоя. Режим работы класса А характеризуется минимальными нелинейными искажениями, т. к.усилительный элемент работает на линейном участке характеристики. Недостатком режима класса А является низкий КПД. η = (25 – 30 %). Это объясняется тем, что энергия от источника питания затрачивается не только на усиление переменной составляющей, но и на создание постоянной составляющей Iо, которая является бесполезной и в дальнейшем отсеивается разделительным конденсатором. Режим класса А применяется, в основном, в предварительных каскадах усиления.

Режим работы класса В.
В режиме класса В рабочая точка выбирается таким образом, чтобы ток покоя был равен нулю, т.е. в начале проходной характеристики. Режим работы класса В характеризуется углом отсечки Θ. Углом отсечки называется половина той части периода, за которую в выходной цепи будет протекать ток. Для режима класса В угол отсечки Θ = 90°. Характеризуется режим класса В высоким КПД η =60 ÷ 70 %. Недостатком режима класса В являются большие нелинейные искажения типа “ступенька”. Применяется режим класса В в выходных двухтактных усилителях мощности невысокого качества, где коэффициент нелинейных искожений мщжет быть снижен введением глубокой ООС.

Режим работы класса АВ.
Иногда положение точки покоя в режиме класса АВ выбирается на нижнем изгибе проходной динамической характеристики. В этом случае будет иметь место ток покоя, но величина его будет значительно меньше, чем в режиме класса А. Угол отсечки Θ в режиме класса АВ будет меньше 90°. Режим класса АВ имеет несколько меньший КПД, чем режим класса В (η = 50 ÷ 60 %) и несколько меньшие нелинейные искажения.
Недостатки: необходимость введения дополнительных цепей для температурной стабилизации в положении рабочей точки из-за саморазогрева транзистора в следствие наличия в нём тепловой положительной обратной связи.
Используется: в усилителях мощности среднего и высокого качества, обязательно с цепями термостабилизации.

Режим работы класса С.
Это режим, при котором величина Eсм имеет отрицательное значение. Рабочая точка находится левее начала проходной характеристики. Режим класса С характеризуется максимальным КПД η = 80 %, но и наибольшими нелинейными искажениями. Используется: в усилителях очень большой мощности, где основным параметром является КПД, а основная гармоническая характеристика выделяется выходными устройствами, а также в устройствах, где форма сигнала не играет роли, важен КПД.

Режим работы класса D.
Режим работы класса D – это ключевой режим работы транзистора.
Достоинство: очень высокий КПД (90-98%).
Недостатки: проблемы получения синусоидального сигнала, сложность такого устройства, наличие дополнительных помех и искожений.
Используется: в импульсных преобразователях и стабилезаторах напряжения, в усилителях мощности гармонических сигналов (крайне редко, только при условии использования шин).
Униполярные (полевые) транзисторы (ПТ). Принцип действия ПТ с p-n-переходом. Стоковая (выходная) и стоко-затворная (проходная) характеристики ПТ, основные параметры. ПТ металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) и металл – окисел – полупроводник (МОП) со встроенным и индуцированным каналами, конструкция, характеристики и параметры. Полярность подаваемых напряжений и особенности применения ПТ. Схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ). Сравнительный анализ БПТ и ПТ. IGBT транзисторы

Полевые транзисторы (униполярные)— п/п приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля.

С точки зрения носителя заряда их называют униполярные (одной полярности).

С точки зрения управления электрическим полем — полевыми.

ПТ содержит 3-и п/п области одного и того же типа проводимости, называемые истоком, каналом, стоком.

Движение носителей заряда начинается от истока в направлении стока по каналу, ширина которого зависит от приложенного напряжения к затвору, соответственно ПТ имеет при электрода Исток, Сток и Затвор.

· Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, назы-

· Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называ-

· Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение,

создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

· Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между p-

n переходом, называется каналом полевого транзистора.

Различают схемы включения:

— с общим истоком (подобно общему эмиттеру) которые позволяют получить усиление тока и напряжения и инвертирование фаз напряжения при усилении, имеют очень высокое входное и выходное сопротивления;

— с общим стоком (подобно общему коллектору и эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем) имеет коэффициент усиления по напряжению, стремящийся к единице, выходное напряжение по значению и фазе повторяют входное, имеют очень высокое входное и низкое выходное сопротивления;

— с общим затвором (подобно общей базе)не дает усиления тока и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме с ОИ, входное сопротивление мало, в усилителях не используются, применяется в качестве линейных ключей и электронных потенциометров.

Отличие биполярных от полевых транзисторов: практически бесконечное входное сопротивление, несколько худшие усилительные свойства, лучшие температурные характеристики, возможность параллельного включения с целью увеличения тока, опасность повреждения статическим напряжением.

По способу создания канала различают ПТ с p-n-переходом (канал p- или n-типа), встроенным каналом (МДП) и индуцированным каналом (МОП).

Полевой транзистор с управляющим переходом — полевой транзистор, у ко­торого затвор электрически отделен от канала закрытым p-n-переходом.

Структурная схема и схема включения полевого транзистора с л-каналом и управляющим р—n-переходом показаны на рис. 2

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в ка­нале являются электроны, которые движутся вдоль канала от ис­тока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_с. Между затвором и истоком приложено напря­жение, запирающее р—n-переход, образованный n-областью канала и р-областью

Рис. 2Структура (а) и схема включения полевого транзи­стора

с затвором в виде р—n-перехода (б):1,2 — области канала и затвора

соответственно; 3, 4, 5 — выводы исто­ка, стока и затвора соответственно

затвора. Таким образом, в полевом транзисторе с п-каналом полярности приложенных напряжений следующие: Uси>0, Uзи 0.

Рис. 3. Перекрытие канала в полевом транзисторе

Рассмотрим более подробно работу полевого транзистора с п-каналом. Транзисторы с

р-каналом работают аналогично.

На рис. 3 показано, как происходит изменение поперечного сечения канала при подаче напряжения на электроды транзистора. При подаче запирающего напряжения на

р-n-переход между затво­ром и каналом (рис. 3, а) на границах канала возникает равно­мерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению про­водящей ширины канала.

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис. 3 б), приводит к появлению неравномерного обедненного слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в на­правлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Если одновременно подать напряжения Uси>0 и Uзи -8 /10 -9 А), поэтому во многих случаях его можно не принимать во внимание.

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Данные приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектри ка, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл, окись, полупроводник. МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник.

МОП – транзисторы могут быть двух видов:

· Транзисторы со встроенным каналом

· Транзисторы с индуцированным каналом.

Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с изо­лированным затвором в основном аналогичны характеристикам транзисторов с затвором в виде р-n-перехода. В то же время изо­лированный затвор позволяет работать в области положительных напряжений между затвором и истоком: Uзи>0. В этой области происходит расширение канала и увеличение тока стока I_с.

188.64.169.166 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Проходная характеристика биполярного транзистора

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и предназначеный для усиления сигнала.

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и широко применяются в различных усилителях, генераторах, в импульсных и ключевых устройствах.

Биполярные транзисторы можно классифицировать по материалу: германиевые и кремниевые; по виду проводимости: типа р- n -р и n — p — n ; по мощности: малая (Р мах 1,5Вт); по частоте: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и СВЧ.

В таких транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок. Отсюда пошло их название: биполярные.

Биполярный транзистор представляет собой пластинку германия или кремния, в которой созданы три области с различной электропроводностью. У транзистора типа n -р- n средняя область имеет дырочную, а крайние области – электронную электропроводность.

Транзисторы типа р- n -р имеют среднюю область с электронной, а крайние — с дырочной проводностью.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, вторая – коллектором. Таким образом в транзисторе имеются два р- n — перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором.

Эмиттером — это область транзистора для инжекции носителей заряда в базу. Коллектором — область, назначением которой является извлечение носителей заряда из базы. Базой называется область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Концентрация основных носителей заряда в эмиттере во много раз больше концентрации основных носителей заряда в базе, а в коллекторе несколько меньше концентрации в эмиттере. Поэтому проводимость эмиттера гораздо выше проводимости базы, а проводимость коллектора меньше проводимости эмиттера.

В зависимости от того, какой из выводов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).

Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.

Принцип действия транзистора на примере транзистора р- n -р –типа, включенного по схеме с общей базой (ОБ).

Внешние напряжения двух источников питания ЕЭ и Е к подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П1 в прямом направлении, а коллекторного перехода П2 – в обратном направлении.

Если к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, а цепь эмиттера разомкнута, то в цепи коллектора протекает небольшой обратный ток I ко . Он возникает под действием обратного напряжения и создается направленным перемещением неосновных носителей заряда дырок базы и электронов коллектора через коллекторный переход. Обратный ток протекает по цепи: +Е к , база-коллектор, −Е к .

При включении в цепь эмиттера постоянного напряжения ЕЭ в прямом направлении потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается. Начинается инжектирование дырок в базу.

Внешнее напряжение, приложенное к транзистору, оказывается приложенным в основном к переходам П1 и П2, т.к. они имеют большое сопротивление по сравнению с сопротивлением базовой, эмиттерной и коллекторной областей. Поэтому инжектированные в базу дырки перемещаются в ней посредством диффузии. При этом дырки рекомбинируют с электронами базы. Поскольку концентрация носителей в базе значительно меньше, чем в эмиттере, то рекомбинируют очень немногие дырки. При малой толщине базы почти все дырки будут доходить до коллекторного перехода П2. На место рекомбинированных электронов в базу поступают электроны от источника питания Е к . Дырки, рекомбинировавшие с электронами в базе, создают ток базы I Б.

Под воздействием обратного напряжения Е к, потенциальный барьер коллекторного перехода повышается, а толщина перехода П2 увеличивается. Вошедшие в область коллекторного перехода дырки попадают в ускоряющее поле, созданное на переходе коллекторным напряжением, и втягиваются коллектором, создавая коллекторный ток I к . Коллекторный ток протекает по цепи: +Е к , база-коллектор, -Е к .

Таким образом, в б иполярном транзисторе протекает три вида тока: эмиттера, коллектора и базы.

В проводе, являющемся выводом базы, токи эмиттера и коллектора направлены встречно. Ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: I Б = I Э − I К.

Физические процессы в транзисторе типа n -р- n протекают аналогично процессам в транзисторе типа р- n -р.

Полный ток эмиттера I Э определяется количеством инжектированных эмиттером основных носителей заряда. Основная часть этих носителей заряда достигая коллектора, создает коллекторный ток I к . Незначительная часть инжектированных в базу носителей заряда рекомбинируют в базе, создавая ток базы I Б. Следовательно, ток эмиттера разделятся на токи базы и коллектора, т.е. I Э = I Б + I к .

Выходной ток транзистора зависит от входного тока. Поэтому транзистор- прибор, управляемый током.

Изменения тока эмиттера, вызванные изменением напряжения эмиттерного перехода, полностью передаются в коллекторную цепь, вызывая изменение тока коллектора. А т.к. напряжение источника коллекторного питания Е к значительно больше, чем эмиттерного Е э , то и мощность, потребляемая в цепи коллектора Р к , будет значительно больше мощности в цепи эмиттера Р э . Таким образом, обеспечивается возможность управления большой мощностью в коллекторной цепи транзистора малой мощностью, затрачиваемой в эмиттерной цепи, т.е. имеет место усиление мощности.

Схемы включения биполярных транзисторов

Транзистор, в схему включают так, что один из его выводов является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК . Для транзистора n -р- n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора, полярность включения источников питания должна быть выбрана такой, чтоб эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Статические характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ

Входной характеристикой является зависимость:

I Э = f ( U ЭБ) при U КБ = const (а).

Выходной характеристикой является зависимость:

I К = f ( U КБ) при I Э = const (б).

Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ. Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость I к от U КБ; 2 – слабая зависимость I к от U КБ; 3 – пробой коллекторного перехода. Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения U КБ.

Характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ:

Входной характеристикой является зависимость:

I Б = f ( U БЭ) при U КЭ = const (б).

Выходной характеристикой является зависимость:

I К = f ( U КЭ) при I Б = const (а).

Режим работы биполярного транзистора

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р- n — перехода закрыты).

Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р- n — перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы — усиление, генерирация.

усилительный каскад на биполярном транзисторе

Наибольшее применение находит схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером. Основными элементами схемы являются источник питания Е к , управляемый элемент – транзистор VT и резистор R к . Эти элементы образуют выходную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы. Другие элементы схемы выполняют вспомогательную роль. Конденсатор С р является разделительным. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Е к .

Резистор R Б, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора при отсутствии входного сигнала. Режим покоя обеспечивается током базы покоя I Б = Е к / R Б. С помощью резистора R к создается выходное напряжение. R к выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы.

Для коллекторной цепи усилительного каскада можно записать следующее уравнение электрического состояния:

Е к = U кэ + I к R к ,

сумма падения напряжения на резисторе R к и напряжения коллектор-эмиттер U кэ транзистора всегда равна постоянной величине – ЭДС источника питания Е к .

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е к в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.

Характеристики биполярных транзисторов

В самом конце предыдущей части статьи было сделано «открытие». Смысл его в том, что небольшой ток базы управляет большим током коллектора. Как раз в этом и заключается основное свойство транзистора, его способность к усилению электрических сигналов. Для того, чтобы продолжить дальнейшее повествование, следует разобраться, насколько велика разница этих токов, и как происходит это управление.

Чтобы лучше вспомнить, о чем идет речь, на рисунке 1 показан n-p-n транзистор с подключенными к нему источниками питания базовой и коллекторной цепей. Этот рисунок уже был показан в предыдущей части статьи.

Небольшое замечание: все, что рассказывается о транзисторе структуры n-p-n вполне справедливо и для транзистора p-n-p. Только в этом случае полярность источников питания следует заменить на обратную. А в самом описании «электроны» заменить на «дырки», везде, где они встречаются. Но в настоящее время транзисторы структуры n-p-n более современны, более востребованы, поэтому в основном рассказывается именно о них.

Маломощный транзистор. Напряжения и токи

Напряжение, прикладываемое к эмиттерному переходу (так принято называть переход база — эмиттер), для маломощных транзисторов невелико, не более 0,2…0,7В, что позволяет создать в цепи базы ток в несколько десятков микроампер. Зависимость тока базы от напряжения база – эмиттер называется входной характеристикой транзистора, которая снимается при фиксированном напряжении коллектора.

К коллекторному переходу маломощного транзистора прикладывается напряжение порядка 5…10В (это для наших исследований), хотя может быть и больше. При таких напряжениях коллекторный ток может быть от 0,5 до нескольких десятков миллиампер. Ну, просто в рамках статьи ограничимся такими величинами, поскольку считается, что транзистор у нас маломощный.

Характеристики передачи

Как уже было сказано чуть выше, маленький ток базы управляет большим током коллектора, как показано на рисунке 2. Следует обратить внимание на то, что ток базы на графике указан в микроамперах, а ток коллектора в миллиамперах.

Если внимательно проследить за поведением кривой, то можно заметить, что для всех точек графика соотношение коллекторного тока к току базы одинаково. Для этого достаточно обратить внимание на точки А и Б, у которых соотношение коллекторного тока к базовому ровно 50. Это как раз и будет УСИЛЕНИЕ ПО ТОКУ, обозначается символом h21э – коэффициент усиления по току.

Зная это соотношение, нетрудно вычислить коллекторный ток Iк = Iб * h21э

Только ни в коем случае не следует думать, что коэффициент усиления у всех транзисторов ровно 50, как на рисунке 2. На самом деле он, в зависимости от типа транзистора, находится в пределах от единиц до нескольких сотен и даже тысяч!

Если требуется узнать коэффициент усиления для конкретного транзистора, который лежит у Вас на столе, то сделать это достаточно просто: современные мультиметры, как правило, имеют режим измерения h21э. Далее будет рассказано, как определить коэффициент усиления, пользуясь обычным амперметром.

Зависимость тока коллектора от тока базы (рисунок 2) называется передаточной характеристикой транзистора. На рисунке 3 показано семейство передаточных характеристик транзистора, при включении его по схеме с ОЭ. Характеристики снимаются при фиксированном напряжении коллектор – эмиттер.

Рисунок 3. Семейство передаточных характеристик транзистора, при включении его по схеме с ОЭ

Если посмотреть на это семейство повнимательней, то можно сделать несколько выводов. Во-первых, передаточная характеристика нелинейна, представляет собой кривую (хотя в середине кривой имеется линейный участок). Именно эта кривая и приводит к нелинейным искажениям, если транзистор используется для усиления сигнала, например, звукового. Поэтому приходится рабочую точку транзистора «смещать» на линейный участок характеристики.

Во вторых характеристики, снятые при разных напряжениях Uкэ1 и Uкэ2 эквидистантны (равноудалены друг от друга). Это позволяет сделать вывод, что коэффициент усиления транзистора (определяется углом наклона кривой к оси координат) не зависит от напряжения коллектор – эмиттер.

В третьих характеристики начинаются не с начала координат. Это говорит о том, что даже при нулевом токе базы какой-то ток через коллектор протекает. Это как раз и есть начальный ток, о котором было рассказано в предыдущей части статьи. Начальный ток у обеих кривых различный, что говорит о том, что он зависит от напряжения на коллекторе.

Как снять передаточную характеристику

Проще всего эту характеристику снять, если включить транзистор по схеме, показанной на рисунке 4.

Вращением ручки потенциометра R можно изменять совсем маленький ток базы Iб, что приведет и пропорциональному изменению большого тока коллектора Iк. Такой «творческий» процесс, как вращение ручки потенциометра невольно наводит на мысль: «А нельзя ли как-нибудь этот процесс кручения ручки автоматизировать?» Оказывается можно.

Для этого достаточно вместо потенциометра последовательно с батарей Eб-э подключить источник переменного напряжения, например угольный микрофон, колебательный контур антенны или детектор приемника. Тогда это переменное напряжение и будет управлять коллекторным током транзистора, как показано на рисунке 5.

В данной схеме батарея Eб-э выполняет роль источника смещения рабочей точки транзистора, а усиливаться будет сигнал переменного напряжения. Если подать переменный сигнал, например синусоиду, без смещения, то положительные полупериоды будут открывать транзистор, и, возможно, даже усиливаться.

Но отрицательные полупериоды транзистор попросту закрывают, поэтому не только не усилятся, но даже и не пройдут через транзистор. Это примерно так, как если бы громкоговоритель подключить через диод: вместо приятной музыки и голосов удастся услышать непонятный хрип.

Но достаточно часто усиливают постоянный ток, при этом транзистор работает в ключевом режиме, наподобие реле. Такое применение наиболее часто встречается в работе цифровых схем. В следующей статье именно с ключевого режима, как наиболее простого и понятного мы и начнем рассмотрение различных режимов работы транзистора.

Схемы включения транзисторов

Рисунок 6. Схемы включения транзисторов

До сих пор на всех рисунках транзистор представал перед нами как три квадратика с буквами n и p. На рисунке 6а транзистор показан как на реальной электрической схеме. Тут же показана полярность подключения напряжения, наименования электродов, базовые и эмиттерные токи. А на рисунке 6б в виде конструкции из двух диодов, что часто используется при проверке транзистора мультиметром.

Биполярные транзисторы (стр. 1 из 2)

ТЕМА 4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.1 Устройство и принцип действия

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и пригодный для усиления мощности.

Выпускаемые в настоящее время биполярные транзисторы можно классифицировать по следующим признакам:

— по материалу: германиевые и кремниевые;

— по виду проводимости областей: типа р-n-р и n-p-n;

— по мощности: малой (Рмах £ 0,3Вт), средней (Рмах £ 1,5Вт) и большой мощности (Рмах > 1,5Вт);

— по частоте: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и СВЧ.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок (или основными и неосновными). Отсюда их название – биполярные.

В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно транзисторы с плоскостными р-n- переходами.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематично на рис. 4.1.

Он представляет собой пластинку германия или кремния, в которой созданы три области с различной электропроводностью. У транзистора типа n-р-n средняя область имеет дырочную, а крайние области – электронную электропроводность.

Транзисторы типа р-n-р имеют среднюю область с электронной, а крайние области с дырочной электропроводностью.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом в транзисторе имеются два р-n- перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Площадь эмиттерного перехода меньше площади коллекторного перехода.

Эмиттером называется область транзистора назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Концентрация основных носителей заряда в эмиттере во много раз больше концентрации основных носителей заряда в базе, а их концентрация в коллекторе несколько меньше концентрации в эмиттере. Поэтому проводимость эмиттера на несколько порядков выше проводимости базы, а проводимость коллектора несколько меньше проводимости эмиттера.

От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).

Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере транзистора р-n-р –типа, включенного по схеме с общей базой (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Принцип действия биполярного транзистора (р-n-р- типа)

Внешние напряжения двух источников питания ЕЭ и Ек подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П1 в прямом направлении (прямое напряжение), а коллекторного перехода П2 – в обратном направлении (обратное напряжение).

Если к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, а цепь эмиттера разомкнута, то в цепи коллектора протекает небольшой обратный ток Iко (единицы микроампер). Этот ток возникает под действием обратного напряжения и создается направленным перемещением неосновных носителей заряда дырок базы и электронов коллектора через коллекторный переход. Обратный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, −Ек. Величина обратного тока коллектора не зависит от напряжения на коллекторе, но зависит от температуры полупроводника.

При включении в цепь эмиттера постоянного напряжения ЕЭ в прямом направлении потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается. Начинается инжектирование (впрыскивание) дырок в базу.

Внешнее напряжение, приложенное к транзистору, оказывается приложенным в основном к переходам П1 и П2, т.к. они имеют большое сопротивление по сравнению с сопротивлением базовой, эмиттерной и коллекторной областей. Поэтому инжектированные в базу дырки перемещаются в ней посредством диффузии. При этом дырки рекомбинируют с электронами базы. Поскольку концентрация носителей в базе значительно меньше, чем в эмиттере, то рекомбинируют очень немногие дырки. При малой толщине базы почти все дырки будут доходить до коллекторного перехода П2. На место рекомбинированных электронов в базу поступают электроны от источника питания Ек. Дырки, рекомбинировавшие с электронами в базе, создают ток базы IБ.

Под действием обратного напряжения Ек потенциальный барьер коллекторного перехода повышается, толщина перехода П2 увеличивается. Но потенциальный барьер коллекторного перехода не создает препятствия для прохождения через него дырок. Вошедшие в область коллекторного перехода дырки попадают в сильное ускоряющее поле, созданное на переходе коллекторным напряжением, и экстрагируются (втягиваются) коллектором, создавая коллекторный ток Iк. Коллекторный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, -Ек.

Таким образом, в транзисторе протекает три тока: ток эмиттера, коллектора и базы.

В проводе, являющемся выводом базы, токи эмиттера и коллектора направлены встречно. Следовательно, ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: IБ = IЭ − IК.

Физические процессы в транзисторе типа n-р-n протекают аналогично процессам в транзисторе типа р-n-р.

Полный ток эмиттера IЭ определяется количеством инжектированных эмиттером основных носителей заряда. Основная часть этих носителей заряда достигая коллектора, создает коллекторный ток Iк. Незначительная часть инжектированных в базу носителей заряда рекомбинируют в базе, создавая ток базы IБ. Следовательно, ток эмиттера разделятся на токи базы и коллектора, т.е. IЭ = IБ + Iк.

Ток эмиттера является входным током, ток коллектора – выходным. Выходной ток составляет часть входного, т.е.

где a- коэффициент передачи тока для схемы ОБ;

Поскольку выходной ток меньше входного, то коэффициент a

Транзисторы биполярные. Основные характеристики и схемы соединений

Открытие полупроводников позволило создать не только диоды и тиристоры, но и тоже не менее популярные усилительные устройства – транзисторы. Они активно применяются в электронике и схемотехнике, а также современный прогресс позволил применять их и в силовой электронике. Более подробно мы рассмотрим биполярные транзисторы в этой статье.

Структура и принцип работы транзистора

В отличии от тиристоров и диодов, транзистор имеет двух переходную структуру. Она может быть двух видов – p-n-p проводимость, в которой по средине расположен полупроводник с электронной проводимостью, а по бокам с дырочной. Схема ниже:

Каждый из этих переходов имеет особенности обычных диодов. Если к левому переходу приложить напряжение в прямом направлении (положительный потенциал к р-полупроводнику, а негативный к n-полупроводнику), то в левом переходе появится прямой ток. Основные носители начнут переходить с левого полупроводника в средний, где они станут уже не основными. Если же к правому переходу приложить напряжение обратной полярности, то основные носители не будут создавать ток. При этом будет существовать только ток, который создается неосновными носителями. Но если в средней зоне появится значительное количество неосновных носителей за счет диффузии через левый переход, то и в правом переходе ток возрастет. Таким образом можно регулировать ток правого перехода, изменением его в левом переходе. Средний полупроводник зовут базой (на схеме Б), тот, к которому напряжение приложено в прямом направлении – эмиттером (на схеме Е), а в обратном – коллектором (К). На рисунках выше показаны обозначение транзисторов на принципиальных схемах. Вывод эмиттера показан стрелкой. Поскольку в работе транзистора принимают участия носители обеих знаков – его называют биполярным.

Основные носители эмиттера, что проникают в базу, создают ток коллектора I_к, но некоторая их часть (примерно 1-2%) отправляется в базу. Все три тока подчиняются первому закону Кирхгофа I_E =I_б+I_к. если такое выражение справедливо для токов, то оно будет справедливо и для его приращений ∆I_E =∆I_б+∆I_к.

Схемы соединения транзисторов

Существует три схемы соединения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и коллектором соответственно. Рассмотрим детальней каждую из них.

Общая база

Схема будет выглядеть так:

В данном случае входным током будет I_Е, а выходным I_К. Коэффициентом усиления называют зависимость приращения тока коллектора от тока эмиттера и он имеет вид h_21б= ∆I_к/∆I_E. Поскольку ∆I_E =∆I_б+∆I_к, то h_21б 10 В, то входную характеристику считают независимой от входного напряжения.

Схема с общим эмиттером

Такая схема включения дает реальное усиление выходного тока I. Схема ниже:

Коэффициент усиления это как и раньше отношение выходного I к входному, но теперь входным будет I_Б, так что получим:

Если учесть что h_21б= 0,98÷0,99; имеем h_21Е= 50÷98, что значительно выше единицы. Это главное преимущество этой схемы.

Вольтамперные характеристики схемы с общим эмиттером ОЭ напоминают те, что соответствуют схеме с общей базой ОБ, но расположены в первом квадранте и показаны ниже:

Здесь имеем два p-n перехода с потенциальным барьером, электрические поля в которых направлены встречно и взаимно компенсируются, поэтому при U_К=0, коллекторный I не возникает. Характеристики будут смещаться относительно I_Б, который в данном случае будет входным.

Входная характеристика практически такая же, как и для схемы с ОБ, так как соответствует одному и тому же переходу, но из-за того, что полярность входного напряжения относительно коллекторного в этой схеме противоположная, характеристика при росте U_К смещается вправо и показана ниже:

И здесь она при U_К>10 В от дальнейшего возрастания U_К не зависит.

Для расчета и анализа усилителей необходимо использовать эквивалентную схему транзистора. Ее можно создать исходя из эквивалентной схемы диода. Поскольку транзистор являет собой два диода, совмещенных в одном корпусе, то эмиттерный переход будет находится под прямым напряжением. Чтоб учесть смещение входной характеристики в зависимости от входного напряжения коллектора, источник Е выразим как h_12БU_К, пропорциональным U_K. Сопротивление эмиттерного перехода обозначим как h_11Б. схема будет иметь следующий вид:

Схема с общим коллектором

Эта схема практически ничем не отличается от эмиттерной и ее эквивалентная схема может быть такой же. Но тому, что выходные (вольтамперные) характеристики практически горизонтальные, их пересечения с горизонтальной осью найти практически невозможно. Как известно из курса электротехники последовательное включение резистора с источником напряжения можно заменить на параллельное соединение резистора с источником тока, величина которого найдется как ордината точки пересечения характеристики с осью токов. Поскольку выходная характеристика будет смещаться относительно I_Е, учтем это путем введения источника тока h_21БI_Е, пропорционально входному I_Е. Наклон выходной характеристики определит нам проводимость коллекторного перехода, которая имеет обозначение h_22Б. Построенная таким образом схема будет полностью соответствовать эквивалентной схеме транзистора:

Буква Б в данном случае указывает на то, что данная схема соответствует соединению с общей базой ОБ.

Применив к левой части второй закон Кирхгофа, а к правой первый, получим:

Оба эти уравнения создают так называемую систему гибридных параметров, чем и обосновывается буква h. Если выписать все коэффициенты уравнений (параметры) в таблицу (определитель), то первый цифровой индекс будет указывать на номер строки, а второй на номер столбца. При этом двое из этих параметров – коэффициент усиления тока h_21Б и коэффициент обратной связи по напряжению h_21Б размерности не имеют. Входное сопротивление h_11Б, измеряется в омах, а выходная проводимость h_22Б в сименсах.

Также для схемы с ОЭ существует такая же система параметров и подобная эквивалентная схема:

Различие между схемами состоит в том, что вместо буквы Б использована буква Е. Уравнения для этой системы будут иметь вид:

На практике считается что h_12Б= h_12Э=0, поскольку при U_К>10 В смена коллекторного напряжения на выходную характеристику не влияет. Между параметрами различных схем соединений существуют следующие зависимости:

Мощность транзисторов

Все изготовляемые транзисторы разделяют на три основных группы по мощности, которая может быть выделена на коллекторе и равна произведению тока на напряжение, что приложено к коллектору:

Транзисторы малой мощности, их мощность лежит в пределах 0

Мощность ограничивается граничной температурой, при превышении которой может произойти тепловой пробой.

Конструктивные особенности биполярных транзисторов

На самом деле конструктивное оформление биполярных транзисторов довольно разнообразно. Давайте рассмотрим конструкцию этих элементов на примере транзистора, показанного ниже:

На массивном металлическом основании 4 размещают кристалл полупроводника 1, который имеет, к примеру, электронную проводимость. На противоположной стороне кристалла относительно грани сделаны две напайки 2 и 3 например с индию, под которым будут создаваться зоны с дырочной проводимостью. Один из этих элементов будет коллектором, а второй эмиттером – сам кристалл базой. Для всех элементов реализованы выводы, а вся конструкция накрыта корпусом во избежание механических повреждений и попадания влажности. Металлическая основа 4 отводит тепло от устройства. В более мощных устройствах могут применять радиаторы, для более высокой теплоотдачи.