Типы биполярных транзисторов – 6.6. Основные свойства, характеристики и типы биполярных транзисторов

Содержание

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 Iб. 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 = Iк / Iб.
  • Коэффициент усиления напряжения Uэк / Uбэ.
  • 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 RL, 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 RL, 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 Rk+Vke.

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 VБЭ 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 Vke 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 IВ ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью Ik 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.

Похожие темы:

1.Описание основных элементов цепи

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется 

биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного(полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector иemitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P собереться еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом,при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняеться ток коллектора IС. Так и происходитусиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IBназывается коэффициентом усиления по току. Обозначается βhfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора iс

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

  • Режим отсечки (cut off mode).

  • Активный режим (active mode).

  • Режим насыщения (saturation mode).

  • Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначаетсяβhfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

6.6. Основные свойства, характеристики и типы биполярных транзисторов

К транзисторам относят полупроводниковые приборы с тремя электродами, которые служат для усиления или переключения сигналов. Для изготовления транзисторов наиболее часто используют кремний и германий. В соответствии с этим различают кремниевые и германиевые транзисторы.

К классу широко распространенных биполярных транзисторов относят полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда.

Инжекцией называется введение (нагнетание) носителей заряда через p-n-переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счет снижения потенциального барьера (прямое включение перехода).

Экстракцией называют процесс «отсоса» неосновных носителей заряда при обратном включении напряжения.

В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p-типа и n-p-n-типа. Упрощенная схема p-n-p-транзистора показана на рис.6.30.

Рис.6.30. Структура p-n-p-транзистора

На рис.6.31 показано условное обозначение p-n-p и n-p-n-транзистора.

Рис.6.31. Условное обозначение транзисторов

При подключении транзистора к одному переходу прикладывается прямое, к другому обратное напряжение.

Переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а его соответствующий вывод – эмиттером (э). Переход к которому при нормальном включении приложено обратное напряжение, называют коллекторным, а вывод – коллектором (к). Средний слой называют базой (б).

Допустимо обратное включение переходов, его называют инверсным включением. При инверсном включении параметры транзистора сильно изменяются.

На рис.6.32 показана схема движения носителей зарядов в нормально включённом транзисторе.

Рис.6.32. Схема движения носителей зарядов в транзисторах

При таком включении эмиттерный переход смещается в прямом направлении, коллекторный – в обратном.

Толщина базы конструктивно выполняется во много раз меньше диффузной длины, поэтому неосновные носители в базе не успевают рекомбинировать. Т.е., если дырки попадают в базу, они ее просто «проскакивают».

При смещении эмиттера в прямом направлении дырки из эмиттера переходят в базу, а электроны из базы в эмиттер, причем из-за высокого сопротивления базы в ней преобладает дырочный ток. Дырки, попавшие в базу, создают вблизи p-n-перехода электрический заряд, который компенсируется электронами, приходящими из внешнего источника Uэб. Приток электронов в базу из внешней цепи создает электрический ток Iб, который направлен из базы.

Инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсирующие их заряд, движутся вглубь базы к коллектору, проходят базу вследствие малости ее толщины и попав в ускоряющее поле вблизи коллекторного перехода, втягиваются в коллектор. Электроны, ушедшие через коллекторный переход, уходят через базовый вывод, создавая ток I′′б. Дырки в базе являются неосновным носителем и поэтому свободно проходят через запертый коллекторный p-n-переход в область коллектора.

Поскольку дырки дают только часть тока эмиттера, то ток коллектора меньше тока эмиттера и определяется формулой

Ik=Iэ,

где <1 – коэффициент передачи эмиттерного тока с учетом обратного, неуправляемого тока базы Iкб, общий ток коллектора определяется соотношением

Ik=Iэ+ Iкб(6.4)

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному переходу будет менять ток Iэ, а следовательно и Ik.

Таким образом для изменения тока коллектора по определенному закону необходимо по этому же закону изменять ток эмиттера путем использования напряжения Uэб. Одной из важных характеристик транзистора является его коэффициент усиления по току, определяемый соотношением =Ik/Iб.

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигнала, различают 3 схемы включения транзистора (рис.6.33). На рисунке 6.33 приведены схемы включения транзистора p-n-p типа: а) – с общей базой; б) – с общим эмиттером; в) – с общим коллектором.

Рис.6.33. Варианты схем включения транзистора

На этих рисунках источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току. Для расчетов схем, содержащих транзисторы, используют их входные и выходные характеристики. На рис.6.34 приведена передаточная характеристика транзистора n-p-n-типа, а на рис.6.35 – семейство его выходных характеристик для фиксированных значений напряжений Uбэ.

Рис.6.34. Передаточная характеристика.

Рис.6.35. Семейство выходных характеристик.

Часто графики выходных характеристик строят для фиксированных токов базы (iб=0, iб=iб1, iб2…).

Особенностью транзистора является то, что его коллекторный ток мало изменяется после достижения Uкэ определенного значения. Напряжение, при котором на выходной характеристике появляется изгиб, называется напряжением насыщения. Другой особенностью транзистора является то, что при малых изменениях входного напряжения, его выходной ток изменяется в достаточно широких пределах, что хорошо иллюстрируется рисунком 6.24. Передаточная характеристика транзистора, как и диода, описывается экспоненциальной зависимостью вида

(6.5)

Изменение коллекторного тока в зависимости от Uбэ характеризуется крутизной S.

(6.6)

Эта величина может быть рассчитана с использованием выражения (6.5)

, (6.7)

т.е. крутизна пропорциональна коллекторному току и практически не зависит от индивидуальных свойств транзистора.

Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер характеризуется дифференциальным входным сопротивлением.

Для инженерных расчетов принимают:

rкэ=Uэ/Iк ,

где Uэ — коэффициент пропорциональности, называемый напряжением Эрми. Типовое значение Uэ находится в пределах 80…200 В для n-p-n транзисторов и 40…150 В для p-n-p транзисторов.

С определённой степенью точности выходное сопротивление транзистора может быть определено по его выходным характеристикам из соотношения при фиксированном токе базы (или напряженииUбэ).

Входная цепь транзистора характеризуется дифференциальным входным сопротивлением

Это сопротивление можно определить по входной характеристике Iб=f (Uбэ), типовой график которой приведен на рисунке 6.36. С определённой степенью точности можно считать, что .

Рис.6.36. Входная характеристика транзистора

Режим работы транзистора, при котором токи коллектора соизмеримы с обратным током коллектора Iко, называют режимом отсечки, а область выходных характеристик вблизи оси напряжений, называют областью отсечки. В этой области оба перехода смещены в обратном направлении.

В активном режиме, в котором транзисторы обычно работают в качестве усилителей, протекающие токи приводят к выделению тепла в коллекторном переходе, на котором мощность определяется в соответствии с выражением

Pk=Ik.Uкб

Чтобы транзистор не перегревался, должно выполняться неравенство

Pk Pkmax,

где Pkmax – максимально допустимая мощность.

В активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

Если оба перехода смещены в прямом направлении, то такой режим называется режимом насыщения.

Для нормальной работы транзистора должны одновременно соблюдаться 3 условия:

Pk  Pk max

Ik  Ik max

Uкэ  Uкэ max ,

где Iк max и Uкэ max – максимально допустимые параметры по коллекторному току и напряжению коллектор-эмиттер.

На рис.6.37 для выходных характеристик транзистора показаны режимы работы транзистора и область его безопасной работы

Рис.6.37. Режимы работы транзистора

Для часто используемой схемы с общим эмиттером с учетом выражения 6.4, а также с учетом того, что

Iэ=Iк+Iб

справедливо соотношение

Iк=(Iк+Iб)+Iко,

откуда

(6.8)

В последнем выражении коэффициент

называется статическим коэффициентом передачи базового тока. Типовые значения

Если ввести обозначение то выражение (6.8) преобразуется в выражение

(6.9)

Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики работы транзистора без учета наклона характеристик.

С учетом наклонов последнее выражение преобразуется в выражение вида:

,

где .

При расчете электронных схем, содержащих транзистор, используют их эквивалентные схемы и соответствующие математические модели. В настоящее время известно несколько вариантов таких моделей.

Один из них – вариант модели Эберса-Молла представлен на рис.6.38.

Рис.6.38. Математическая модель по Эберсу-Моллу

В этой схеме 1 – статический коэффициент передачи коллекторного тока в область эмиттера, Iкт и Iэт – тепловые токи коллектора и эмиттера. Источники тока отражают взаимодействие p-n-переходов. Используя первый закон Кирхгофа, можно записать

Практически используемые модели дополняются сопротивлениями и конденсаторами переходов, аналогичных тому, как это делается в моделях диодов.

Упрощенные математические модели принято называть эквивалентными схемами. При работе на активном участке в первом приближении входные и выходные характеристики транзистора можно считать линейными, в связи с чем эквивалентную схему транзистора можно представить, можно представить в виде рис. 6.39.

Рис.6.39. Эквивалентная схема транзистора

Здесь rб и rэ – сопротивление базового и эмиттерного слоя соответственно. Иногда вместо rэ включают идеальный диод VD, который во включенном состоянии заменяют «закороткой», а в выключенном – «разрывом» цепи, емкость Ск включается при анализе схемы на переменном токе. С некоторым приближением можно считать, что:

,

где Ck – барьерная емкость коллекторного перехода.

Для этой схемы справедливо соотношение: .

Графический анализ транзисторных схем осуществляется с использованием линии нагрузки, аналогично графическому анализу диодных схем, но линии нагрузки строят для входной и выходной цепи. Рассмотрим технику графического расчета на примере схемы, представленной на рис. 6.40.

Рис.6.40. Вариант схемы включения транзистора

Для входной цепи уравнение линии нагрузки имеет вид:

Eб=IбRб+Uбэ.

Для выходной цепи:

Eк=IкRк+Uкэ.

Если Eб достаточно велико, напряжением Uбэ можно пренебречь.

Для входной цепи график линии нагрузки на входной вольт-амперной характеристике имеет вид, представленный на рис.6.41, в соответствии с этим рисунком определяется ток базы Iб*.

Рис.6.41. Линия нагрузки для входной цепи

Для выходной цепи график линии нагрузки изображен на рис.6.42.

Рис.6.42. Линия нагрузки для выходной цепи

Искомые параметры определяются по точке пересечения линии нагрузки, пересекающей кривую тока Iбj ближайшую к . В нашем случае это Iб2. Найденную точку О называют начальной рабочей точкой. Относительно нее определяются , , .

При использовании аналитических методов расчета в анализируемых схемах транзистор заменяется на эквивалентную схему. Для схемы рис.6.40, при использовании эквивалентной схемы рис.6.39, получаем схему для соответствующих аналитических расчетов, представленную на рис.6.43.

Рис.6.43.Схема для аналитического метода расчета

Для этой схемы:

При анализе электронных схем обычно используются транзисторы, работающие в активном режиме. В этом случае транзисторы представляют в виде четырехполюсников, в которых изображают транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис.6.44).

Рис. 6.44. Представление транзистора четырехполюсника

Для схемы с общим эмиттером введены следующие обозначения: I1 – переменная составляющая тока базы; U1 – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером; I2 – переменная составляющая тока коллектора; U2 – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером. Для описания такого четырехполюсника вводится 4 так называемых h-параметра, для которых выполняется условие

или в другой форме

U1=h11.I1+h12.U2

I2=h21.I1+h22.U2.

Коэффициенты hij определяют опытным путем, например, h11 определяют при коротком замыкании выхода (U2=0), тогда . Из последнего соотношения видно, что h11 представляет собой входное сопротивление транзистора.

В режиме холостого хода на входе (I1=0) измеряют параметр . Коэффициент передачи тока определяется в режиме короткого замыкания на выходе по формуле . Выходная проводимость определяется в режиме холостого хода на входе из соотношения.

Для описания работы транзисторов на переменном токе и в импульсных схемах необходимо учитывать соответствующие емкости переходов, которые приводят к временным задержкам в срабатывании.

На рис.6.45 представлена временная диаграмма изменения коллекторного тока при скачкообразном изменении тока эмиттера. Включение эмиттерного тока приводит к скачкообразному изменению тока базы, что объясняется накоплением зарядов в базе транзистора.

Рис.6.45. Временные диаграммы работы транзистора

После накопления зарядов ток базы определяется значением статического коэффициента передачи базового тока . Ток коллектора возникает с некоторой задержкойtЗ, когда электроны, инжектированные эмиттером, достигнут коллектора и далее плавное нарастание коллекторного тока tH объясняется хаотичностью движения электронов и различной их скоростью.

На переменном токе при анализе транзисторных схем вместо статического коэффициента используют дифференциальные коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока, зависящие от частоты преобразуемого сигнала.

При этом модуль коэффициента передачи тока базы определяется формулой

,

где  — частота тока управления транзистором, — предельная частота работы транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

На рис. 6.46 приведен типовой график изменения дифференциального коэффициента передачи базового тока от частоты.

Рис.6.46. Частотная характеристика

Частоту, на которой дифференциальный коэффициент передачи базового тока падает до уровня 0,7 называют предельной частотой работы транзистораfпр. Частоту, на которой прекращаются усилительные свойства транзистора () называют граничной частотойfгр.

График рис.6.46 характеризует то свойство транзисторных схем, что с ростом частоты их усилительные свойства уменьшаются.

При обозначении различных типов транзисторов используют буквенно-цифровой код. Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен транзистор, второй элемент (буква) определяет подкласс (группу) транзисторов, третий (цифра) – основные функциональные возможности транзистора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа транзисторов, пятый элемент – буква – условно определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовляемых по единой технологии (рис.6.47).

Например, обозначение КТ937А-2 определяет кремниевый биполярный транзистор большой мощности, номер разработки 37, группа А, безкорпусной, с гибкими выводами на кристаллодержателе.

Рис.6.47. Схема обозначения транзисторов.

что это такое, как работает, схемы включения, режимы работы

Применение полупроводниковых приборов (ПП) широко распространено в радиоэлектронике. Благодаря этому уменьшились габариты различных устройств. Широкое применение получил биполярный транзистор, благодаря некоторым особенностям его функционал шире, чем у простого полевого транзистора. Чтобы понять, для чего он нужен и в при каких условиях применяется, необходимо рассмотреть его принцип действия, способы подключения и классификацию.

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Что такое биполярный транзистор и какие схемы включения существуют

Устройство и принцип действия

Транзистор — электронный полупроводник, состоящий из 3 электродов, одним из которых является управляющий. Транзистор биполярного типа отличается от полярного наличием 2 типов носителей заряда (отрицательного и положительного).

Отрицательные заряды представляют собой электроны, которые высвобождаются из внешней оболочки кристаллической решетки. Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона.

Устройство биполярного транзистора (БТ) достаточно простое, несмотря на его универсальность. Он состоит из 3 слоев проводникового типа: эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К).

Эмиттер (от латинского “выпускать”) — тип полупроводникового перехода, основной функцией которого является инжекция зарядов в базу. Коллектор (от латинского “собиратель”) служит для получения зарядов эмиттера. База является управляющим электродом.

bepolyarniy-tranzistor-shema

bepolyarniy-tranzistor-shema

Слои эмиттерный и коллекторный почти одинаковые, однако отличаются степенью добавления примесей для улучшения характеристик ПП. Добавление примесей называется легированием. Для коллекторного слоя (КС) легирование выражено слабо для повышения коллекторного напряжения (Uк). Эмиттерный полупроводниковый слой легируется сильно для того, чтобы повысить обратное допустимое U пробоя и улучшить инжекцию носителей в базовый слой (увеличивается коэффициент передачи по току — Kт). Слой базы легируется слабо для обеспечения большего сопротивления (R).

Переход между базой и эмиттером меньший по площади, чем К-Б. Благодаря разнице в площадях и происходит улучшение Кт. При работе ПП переход К-Б включается со смещением обратного типа для выделения основной доли количества теплоты Q, которое рассеивается и обеспечивает лучшее охлаждение кристалла.

Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя (БС). Эта зависимость является величиной, изменяющейся по обратно пропорциональному соотношению. При меньшей толщине — большее быстродействие. Эта зависимость связана с временем пролета носителей заряда. Однако при этом снижается Uк.

Между эмиттером и К протекает сильный ток, называемый током К (Iк). Между Э и Б протекает ток маленькой величины — ток Б (Iб), который используется для управления. При изменении Iб произойдет изменение Iк.

У транзистора два p-n перехода: Э-Б и К-Б. При активном режиме Э-Б подключается со смещением прямого типа, а подключение К-Б происходит с обратным смещением. Так как переход Э-Б находится в открытом состоянии, то отрицательные заряды (электроны) перетекают в Б. После этого происходит их частичная рекомбинация с дырками. Однако большая часть электронов достигает К-Б из-за малой легитивности и толщины Б.

В БС электроны являются неосновными носителями заряда, и электромагнитное поле помогает им преодолеть переход К-Б. При увеличении Iб произойдет расширение открытия Э-Б и между Э и К пробежит больше электронов. При этом произойдет существенное усиление сигнала низкой амплитуды, т. к. Iк больше, чем Iб.

Для того чтобы проще понять физический смысл работы транзистора биполярного типа, нужно ассоциировать его с наглядным примером. Нужно предположить, что насос для закачки воды является источником питания, водопроводный кран — транзистором, вода — Iк, степень поворота ручки крана — Iб. Для увеличения напора нужно немного повернуть кран — совершить управляющее действие. Исходя из примера можно сделать вывод о простом принципе работы ПП.

Однако при существенном увеличении U на переходе К-Б может произойти ударная ионизация, следствием которой является лавинное размножение заряда. При комбинации с тоннельным эффектом этот процесс дает электрический, а с увеличением времени и тепловой пробой, что выводит ПП из строя. Иногда тепловой пробой наступает без электрического в результате существенного увеличения тока через выход коллектора.

Кроме того, при изменении U на К-Б и Э-Б меняется толщина этих слоев, если Б тонкая, то происходит эффект смыкания (его еще называют проколом Б), при котором происходит соединение переходов К-Б и Э-Б. В результате этого явления ПП перестает выполнять свои функции.

Режимы работы

Транзистор биполярного типа может работать в 4 режимах:

  1. Активный.
  2. Отсечки (РО).
  3. Насыщения (РН).
  4. Барьерный (РБ).

Активный режим БТ бывает нормальным (НАР) и инверсным (ИАР).

Нормальный активный режим

При этом режиме на переходе Э-Б протекает U, которое является прямым и называется напряжением Э-Б (Uэ-б). Режим считается оптимальным и используется в большинстве схем. Переход Э осуществляет инжекцию зарядов в базовую область, которые перемещаются к коллектору. Последний ускоряет заряды, создавая эффект усиления.

Инверсный активный режим

В этом режиме переход К-Б открыт. БТ работает в обратном направлении, т. е. из К идет инжекция дырочных носителей заряда, проходящих через Б. Они собираются переходом Э. Свойства ПП к усилению слабые, и редко БТ применяются в этом режиме.

Режим насыщения

При РН оба перехода открыты. При подключении Э-Б и К-Б к внешним источникам в прямом направлении БТ будет работать в РН. Диффузионное электромагнитное поле Э и К переходов ослабляется электрическим полем, которое создается внешними источниками. В результате этого произойдет уменьшение барьерной способности и ограничение диффузной способности основных носителей заряда. Начнется инжекция дырок из Э и К в Б. Этот режим применяется в основном в аналоговой технике, однако в некоторых случаях возможны исключения.

Режим отсечки

При этом режиме БТ закрывается полностью и не способен проводить ток. Однако в БТ присутствуют незначительные потоки неосновных носителей зарядов, создающих тепловые токи с малыми значениями. Применяется этот режим в различных видах защиты от перегрузок и коротких замыканий.

Барьерный режим

База БТ соединяется через резистор с К. В цепь К или Э включается резистор, который задает величину тока (I) через БТ. БР часто применяется в схемах, т. к. позволяет работать БТ на любой частоте и в большем диапазоне температур.

Схемы включения

shema bepolyarnogo tranzistora

shema bepolyarnogo tranzistora

Для корректного применения и подключения БТ нужно знать их классификацию и тип. Классификация биполярных транзисторов:

  1. Материал изготовления: германий, кремний и арсенидогаллий.
  2. Особенности изготовления.
  3. Рассеиваемая мощность: маломощные (до 0,25 Вт), средние (0,25-1,6 Вт), мощные (выше 1,6 Вт).
  4. Предельная частота: низкочастотные (до 2,7 МГц), среднечастотные (2,7-32 МГц), высокочастотные (32-310 МГц), сверхвысокочастотные (более 310 МГц).
  5. Функциональное назначение.

Функциональное назначение БТ делится на следующие виды:

  1. Усилительные низкочастотные с нормированным и ненормированным коэффициентом шума (НиННКШ).
  2. Усилительные высокочастотные с НиННКШ.
  3. Усилительные сверхвысокочастотные с НиННКШ.
  4. Усилительные мощные высоковольтные.
  5. Генераторные с высокими и сверхвысокими частотами.
  6. Маломощные и мощные высоковольтные переключающие.
  7. Импульсные мощные для работы с высокими значениями U.

Кроме того, существуют такие типы биполярных транзисторов:

  1. Р-n-p.
  2. N-p-n.

Существует 3 схемы включения биполярного транзистора, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками:

  1. Общая Б.
  2. Общий Э.
  3. Общий К.

Включение с общей базой (ОБ)

Схема применяется на высоких частотах, позволяя оптимально использовать частотную характеристику. При подключении одного БТ по схеме с ОЭ, а потом с ОБ его частота работы усилится. Эту схему подключения применяют в усилителях антенного типа. Уровень шумов на высоких частотах снижается.

Достоинства:

  1. Оптимальные значения температуры и широкий диапазон частот (f).
  2. Высокое значение Uк.

Недостатки:

  1. Низкое усиление по I.
  2. Низкое входное R.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

При подключении по этой схеме происходит усиление по U и I. Схему можно запитать от одного источника. Часто применяется в усилителях мощности (P).

Достоинства:

  1. Высокие коэффициенты усиления по I, U, P.
  2. Один источник питания.
  3. Происходит инвертирование выходного переменного U относительно входного.

Обладает существенными недостатками: наименьшая температурная стабильность и частотные характеристики хуже, чем при подключении с ОБ.

Включение с общим коллектором (ОК)

Входное U полностью передается обратно на вход, и Кi аналогичен при подключении с ОЭ, но по U он низкий.

Этот тип включения применяют для согласования каскадов, выполненных на транзисторах, или при источнике входного сигнала, который имеет высокое выходное R (микрофон конденсаторного типа или звукосниматель). К достоинствам можно отнести следующие: большое значение входного и малого выходного R. Недостатком является низкий коэффициент усиления по U.

Основные характеристики биполярных транзисторов

Основные характеристики БТ:

  1. Коэффициент усиления по I.
  2. Входное и выходное R.
  3. Обратный Iк-э.
  4. Время включения.
  5. Частота передачи Iб.
  6. Обратный Iк.
  7. Максимальное значение I.

Сферы применения

Применение биполярных транзисторов широко распространено во всех областях человеческой деятельности. Основное применение устройства получили в приборах для усиления, генерации электрических сигналов, а также выполняют роль коммутируемого элемента. Их применяют в различных усилителях мощности, в обыкновенных и импульсных блоках питания с возможностью регулирования значений U и I, в компьютерной технике.

Кроме того, их часто используют для построения различной защиты потребителей от перегрузок, скачков U, короткого замыкания. Широкое применение получили в горнодобывающей, металлургической сферах.

Схема, принцип работы, характеристики биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы – электронные полупроводниковые приборы, отличающиеся от полевых способом переноса заряда. В полевых (однополярных) транзисторах, используемых в основном в цифровых устройствах, заряд переносится или дырками, или электронами. В биполярных же в процессе участвуют и электроны, и дырки. Биполярные транзисторы, как и другие типы транзисторов, в основном используются в качестве усилителей сигнала. Применяются в аналоговых устройствах.

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

  • эмиттер;
  • базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
  • коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.

К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

  • электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
  • между коллектором и базой – коллекторный.

Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.

Режимы работы биполярных транзисторов

Режим отсечки

Переходы закрыты, прибор не работает. Этот режим получают при обратном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают обратные малые коллекторные и эмиттерные токи. Часто считается, что прибор в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Является промежуточным. Переход Б-К открыт, а эмиттер-база – закрыт. Ток базы в этом случае значительно меньше токов Э и К. Усиливающие характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим востребован мало.

Режим насыщения

Прибор полностью открыт. Оба перехода подключаются к источникам тока в прямом направлении. При этом снижается потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают проходить токи, которые называют «токами насыщения».

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

С общей базой

Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

С общим коллектором

Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

Схема включения биполярных транзисторов

Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?

  • Материал, из которого он изготовлен, – арсенид галлия или кремний.
  • Частоту. Она может быть – сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя – (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
  • Максимальную рассеиваемую мощность.

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?


Схема включения биполярных транзисторов

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.


Биполярные транзисторы — это… Что такое Биполярные транзисторы?

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передает ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10 − 1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Режимы работы биполярного транзистора

  • Нормальный активный режим;
  • Инверсный активный режим;
  • Режим насыщения;
  • Режим отсечки;

Нормальный активный режим

Переход эмиттер — база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор — база — в обратном (закрыт)

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).

Схемы включения

Схема включения с общей базой

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

  • коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.

Для схемы с общей базой Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1])

  • входное сопротивление Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Недостатки схемы с общей базой :

  • Схема не усиливает ток, так как α < 1
  • Малое входное сопротивление
  • Два разных источника напряжения для питания.

Достоинства:

  • Хорошие температурные и частотные свойства.

Схема включения с общим эмиттером

Iвых=Iк
Iвх=Iб
Uвх=Uбэ
Uвых=Uкэ

Достоинства:

  • Большой коэффициент усиления по току
  • Большое входное сопротивление
  • Можно обойтись одним источником питания

Недостатки:

  • Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Схема с общим коллектором

Iвых=Iэ
Iвх=Iб
Uвх=Uбк
Uвых=Uкэ

Достоинства:

  • Большое входное сопротивление
  • Малое выходное сопротивление

Недостатки:

  • Не усиливает напряжение

Схему с таким включением также называют «эмиттерным повторителем»

Технология изготовления транзисторов 1

  • Планарно-эпитаксиальная
  • Сплавная
    • Дифузионный
    • Дифузионносплавной

Применение транзисторов

Ссылки и литература

9 Классификация биполярных транзисторов

Классификация биполярных транзисторов проводится по следующим признакам:

  1. По роду исходного материала – германиевые, кремниевые, арсенидогаллиевые.

  2. По типу полярности – р-п-р и п-р-п транзисторы.

  3. По технологическим особенностям – сплавные, планарные, эпитаксиально-планарные, диффузионно-сплавные, меза-планарные, меза-эпитаксиально-планарные и т.п.

  4. По рассеиваемой мощности – маломощные (до 300 мВт), средней мощности (от 0,3 Вт до 1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт).

  5. По граничной частоте – низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (от 3 МГц до 30 МГц), высокочастотные (от 30 МГц до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (более 300 МГц).

  6. По функциональному назначению. По этому признаку биполярные транзисторы подразделяются на 13 групп:

    1. Усилительные низкочастотные (менее 30 МГц) с нормированным коэффициентом шума.

    2. Усилительные низкочастотные (менее 30 МГц) с ненормированным коэффициентом шума.

    3. Усилительные высокочастотные (от 30 МГц до 300 МГц) с нормированным коэффициентом шума.

    4. Усилительные высокочастотные (от 30 МГц до 300 МГц) с нормированным коэффициентом шума.

    5. Усилительные сверхвысокочастотные (более 300 МГц) с нормированным коэффициентом шума.

    6. Усилительные сверхвысокочастотные (более 300 МГц) с ненормированным коэффициентом шума.

    7. Усилительные мощные высоковольтные.

    8. Высокочастотные генераторные.

    9. Сверхвысокочастотные генераторные.

    10. Переключающие маломощные.

    11. Переключающие мощные высоковольтные.

    12. Импульсные мощные высоковольтные.

10 Система обозначений биполярных транзисторов

В основу системы обозначений полупроводниковых биполярных транзисторов согласно ОСТ 11 336.038-77 положен семизначный буквенно-цифровой код, первый элемент которого (буква – для приборов широкого применения, цифра – для приборов специального назначения) обозначает исходный полупроводниковый материал. Второй элемент обозначения – буква, определяет подкласс приборов (для биполярных транзисторов буква Т), третий элемент – цифра или буква, определяет один из основных характеризующих данный прибор признаков. Четвертый, пятый и шестой элемент – трехзначной число, обозначающее порядковый номер разработки. Седьмой элемент – буква, характеризует классификацию по параметрам приборов единой технологии.

Для обозначения материала (первый элемент) используют: Г или 1 – германий и его соединения; К или 2 – кремний и его соединения; А или 3 – арсенид галлия; И или 4 – фосфид индия.

Для обозначения подклассов приборов (второй элемент) используются букву Т – биполярный транзистор.

Значение третьего элемента (цифра), характеризующего основной признак прибора, для биполярных транзисторов определяет рассеиваемую мощность транзистора и его граничную частоту:

1 – рассеиваемая мощность не более 1 Вт и граничная частота не более 30 МГц;

2,3 – рассеиваемая мощность не более 1 Вт и граничная частота более 30 МГц, но не более 300 МГц;

4,5 – рассеиваемая мощность не более 1 Вт и граничная частота более 300 МГц;

6,7 – рассеиваемая мощность более 1 Вт и граничная частота не более 30 МГц;

8 – рассеиваемая мощность более 1 Вт и граничная частота более 30 МГц, но не более 300 МГц;

9 – рассеиваемая мощность более 1 Вт и граничная частота более 300 МГц;

Примеры обозначений:

КТ3107Е – кремниевый среднечастотный маломощный транзистор, номер разработки 107, группа Е. 2Т922В – кремниевый высокочастотный мощный транзистор, номер разработки 15, группа В.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *