Вах биполярного транзистора: ВАХ биполярного транзистора — Студопедия

Содержание

ВАХ биполярного транзистора — Студопедия

Свойства транзистора сильно зависят от того каким образом он включен с точки зрения входного и выходного напряжений. Различают три схемы включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Схема с ОБ показана на рис. 7.6.

Рис. 7.6 Схема с общей базойРис. 7.7 Схема с общим эмиттером

В схеме с общей базой входное напряжение прикладывается к эмиттеру, а выходное снимается с коллектора. База является общим контактом, относительно которого измеряются входное и выходное напряжения. В общем случае заземление в базе может отсутствовать. При уменьшении входного напряжения  напряжение на эмиттере (n-слой) уменьшается, поэтому эмиттерный переход открывается сильнее и ток коллектора

 увеличивается. Аналогично, при увеличении входного напряжения  напряжение на эмиттере возрастает, значит эмиттерный переход закрывается сильнее и ток коллектора увеличивается. Таким образом, в схеме с общей базой увеличение входного напряжения приводит к уменьшению выходного тока, а уменьшение входного напряжения – к увеличению выходного тока.

Схема с общим эмиттером показана на рис. 7.7. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) входное напряжение подается в базу, а выходное снимается с коллектора.

Эмиттер является общим контактом, относительно которого задаются входное и выходное напряжения. При уменьшении входного напряжения  потенциал в базе (p-слой) уменьшается, поэтому эмиттерный переход закрывается и ток коллектора уменьшается. При увеличении входного напряжения  потенциал в базе возрастает, следовательно эмиттерный переход открывается сильнее и ток коллектора возрастает. Таким образом, в схеме с общим эмиттером увеличение входного напряжения приводит к увеличению выходного тока, а уменьшение входного напряжения – к уменьшению выходного тока.


Рис. 7.8 Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором показана на рис. 7.8. В схеме с общим коллектором (ОК) входное напряжение подается в базу, а выходное снимается с эмиттера. Коллектор является общим контактом, относительно которого отсчитываются потенциалы. При повышении напряжения в базе потенциал на p-слое n-p-n-транзистора увеличивается, поэтому эмиттерный переход открывается сильнее. На коллекторе обычно сформировано некоторое напряжение, которое не дает открыться коллекторному переходу. Следовательно транзистор находится в активном режиме и ток коллектора

, а значит и ток эмиттера , увеличиваются. Соответственно при уменьшении входного напряжения, потенциал базы уменьшается, эмиттерный переход закрывается сильнее и токи коллектора и эмиттера уменьшаются.


Биполярный транзистор характеризуется двумя ВАХ, вид которых зависит от схемы включения и типа транзистора – n-p-n или p-n-p-структуры. ВАХ биполярного транзистора n-p-n-структуры в схеме с ОЭ показаны на рис. 7.9. Первое слева семейство характеристик называется

выходными ВАХ, а второе семейство – входными характеристиками. Из выходных ВАХ видно, что ток коллектора  увеличивается при увеличении тока базы . При увеличении напряжения  ток коллектора сначала растет, а затем становится постоянным. На выходных ВАХ можно выделить пять областей. Область, для которой ток
 соответствует режиму отсечки. Область, в которой напряжение  определяет режим насыщения. Область  принадлежит режиму электрического пробоя p-n-перехода. При больших токах и напряжениях мощность электрического сигнала может превысить допустимую. В этом случае при  наступает тепловой пробой, p-n-переходы транзистора разрушаются. Оставшаяся область, ограниченная указанными выше режимами, соответствует активному режиму и обычно является рабочей областью транзистора в усилительном режиме. Также, в ключевых схемах транзистор может работать в режиме насыщения и отсечки.

Рис. 7.9 ВАХ транзистора с ОЭ

Эквивалентная схема биполярного транзистора

Рис. 7.10 Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме ОЭ

Эквивалентная схема биполярного транзистора зависит от схемы включения. На рис. 7.10 приведена эквивалентная схема для транзистора с ОЭ. В данной схеме сопротивление

 – дифференциальное сопротивление открытого p-n-перехода, приблизительно равное . Сопротивление базы  лежит в пределах от десятых долей до нескольких сотен Ом в зависимости от мощности транзистора. Чем больше мощность, тем меньше сопротивление базы. Емкость коллекторного перехода
 в активном режиме равна барьерной емкости. Сопротивление  моделирует дифференциальное сопротивление закрытого коллекторного перехода и составляет от нескольких десятков до нескольких сотен кОм. Генератор тока определяет ток коллектора, зависящий от тока базы. Строго говоря, ток коллектора на несколько процентов отличается от тока эмиттера, однако для простоты указанные токи взяты равными.

Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов. — Информатика, информационные технологии

Семейство ВАХ ОБ

Индексация напряжений, подаваемых на вход и выход БТ, двойная. Первая буква — первая буква названия входного или выходного выводов, вторая – общего вывода. Знак напряжения определяется относительно общего вывода – нулевого. Далее будут рассматриваться маломощные германиевый и кремниевый p- n- p транзисторы.

Входные ВАХ

Семейства ВАХ БТ ОБ составляют входные ВАХ и выходные ВАХ . Входное напряжение (прямое смещение ЭП) подаётся на эмиттерный переход (ЭП). Величина его максимального входного напряжения не должна превышать 0,6 В. При , т.е. при закороченных выводах коллектора и базы, ток эмиттера разделяется на ток коллектора Ik0 и ток базы Ib , которые воссоединяются в выводе коллектора. Входной ток — ток эмиттера — это ток прямо смещенного ЭП.

Рис.3. Распределение токов в КС БТ

На рис.4 справа изображена нулевая входная ВАХ ( ) БТ ОБ. В этой схеме коллектор закорочен с базой. Практически она является прямой ветвью ВАХ диода. При подаче на коллектор напряжения входные ВАХ смещаются влево (рис.4). Величина смещения для , больше, чем для и более. Для ток эмиттера при на первый вольт возрастает больше, чем на любой последующий.

Рис.4. Семейство входных ВАХ БТ ОБ

Эта разница объясняется разными по величине изменениями градиента концентрации дырок на левой границе базы, первого и любого последующего токов. Эмиттерный ток через базу — диффузионный. Его величина пропорциональна градиенту концентрации ННЗ базы .

С увеличением обратного смещения коллекторного перехода (КП) толщина ОПЗ увеличивается в базу. Действующей толщиной W базы называется расстояние между границами базы, зависящее от напряжения на коллекторе. Зависимость действующей толщины базы от напряжения на КП называется эффектом модуляции толщины базы или эффектом Эрли. Очевидно, что . Из лианеризированных графиков производных (распределения концентраций ННЗ) для трех этих значений напряжений следует, что при подаче первого вольта величина градиента концентрации ННЗ возрастает и за счет увеличения числителя, и за счет уменьшения знаменателя дроби (эффект Эрли). При подаче следующего Вольта дробь уменьшается только за счет эффекта Эрли. Поэтому в первом случае ток эмиттера возрастет больше, чем во втором.

Выходные ВАХ

В соответствии с уравнением (3) ток коллектора при фиксированном токе эмиттера не должен зависеть от напряжения на коллекторе. Но при этом не учитываются эффект Эрли и скачок перепада концентрации ННЗ при подаче выходного напряжения. Ток Ik, аналогично Iэ, диффузионный дырочный, но на правой границе базы. При повторении рассуждений, выполненных при анализе особенностей входных ВАХ применительно к правой границе базы, можно прийти к следующим выводам.

Рис.5. Выходные ВАХ транзистора ОБ

На начальном участке ВАХ от нуля до одного вольта должен существовать слабо возрастающий участок. На остальной части ВАХ, где сказывается только эффект Эрли, ток практически постоянен (рис.5).

Параметры статических ВАХ

У четырехполюсника, работающего в режиме переменного сигнала, стандартными являются четыре параметра: входные и выходные сопротивления, коэффициенты передачи тока и напряжения. Из семейства входных ВАХ для транзистора с ОБ можно определить только два параметра:

(4), (5)

где входное сопротивление БТ ОБ, коэффициент обратной передачи напряжения.

Семейства ВАХ ОЭ

Семейства ВАХ БТ ОЭ составляют входные и выходные ВАХ. Входное напряжение подаётся на вывод базы ЭП. Выходное – на вывод коллектора. Очевидно, что знаки входного и выходного напряжений схемы ОЭ одинаковы (рис.6). В схеме с ОБ они различны.

Рис.6. Условная структурная схема БТ ОЭ

Входные ВАХ

Для входной ВАХ при нулевом входном напряжении оба перехода – в прямом смещении, транзистор – в режиме насыщения (рис. 6). Ток базы — сумма двух рекомбинационных токов, инжектированных из ЭП и КП:

, (6)

(7)

Рис.7. Схема транзистора ОЭ при

Для одновольтовой ВАХ реализуется активный режим БТ, и ток базы является разностью рекомбинационного тока и обратного тока КП (рис.7):

. (8)

Так как , током можно пренебречь. Из сравнения выражений (7) и (8) следует, что ток одновольтовой характеристики будет меньше, чем нулевой ВАХ. Ведь сумма двух рекомбинационных токов в режиме насыщения много больше единственного тока рекомбинации в активном режиме. Качественно оценим разницу компонент этих токов.

Ток рекомбинации образуется за счёт тех НЗ, которые рекомбинируют с электронами, сгенерированными в базе. Вероятность акта рекомбинации тем выше, чем меньше скорость относительно движения электронов и дырок вблизи ненасыщенной парно-электронной связи.

Скорость диффузионного движения пропорциональна градиенту концентрации ННЗ. На рис.8 приведена разница профилей концентраций ННЗ базы в режимах насыщения (верхняя кривая) и активном — (нижняя).

Рис.8. Распределение концентрации ННЗ в базе для режима насыщения (верхняя кривая) и активного (нижняя кривая)

В режиме насыщения (верхняя кривая) в середине базы градиент концентрации ННЗ близок к нулю, а вероятность акта и величина тока рекомбинации максимальны. Поэтому при Uкэ = -1 В единственный ток рекомбинации будет значительно меньше тока БТ ОЭ в режиме насыщения. На рис. 9 приведено семейство входных ВАХ БТ ОЭ.

Рис.9. Входные ВАХ транзистора ОЭ

Качественно каждая из не нулевых ВАХ повторяет ВАХ прямо смещенного диода. При увеличении коллекторного напряжения ток базы незначительно уменьшается только за счет уменьшения вероятности акта рекомбинации в базе.

На рис. 10 приведена схема для измерения статических входных и выходных ВАХ БТ ОЭ и ОБ.

Рис.10. Схема измерения ВАХ БТ ОЭ

Входной ток маломощных транзисторов измеряется микроамперметром, выходной — миллиамперметром. Входное напряжение БТ измеряется милливольтметром, выходное — вольтметром.

(9)

Семейство выходных ВАХ

Из схемы7следует, чтопри фиксированной величине входного тока базы иUкэ = 0величина тока коллектораIк являетсяразностьюдвух инжекционных токов, обусловленных потоками дырокиз эмиттера к выводу коллектора и из коллектора к выводу эмиттера. Очевидно, что

(10)

При нулевом инжекционные токи обоих переходов приближенно компенсируются. Ток инжекции прямо смещённого перехода экспоненциально зависит от напряжения смещения. При подаче малого коллекторного напряжения инжекционный ток КП будет резко уменьшаться т.к.

. (11)

В соответствии с (9)при уменьшении модуля прямого смещенияколлекторного перехода ток коллектора будет резко возрастать до момента выравнивания модулей входного и выходного напряжений.При равенстве этих модулей транзистор переходит в активный режим.При| | ,большем |Uбэ|, (см.11)и дальнейшем увеличениимодуля коллекторного напряжения ток коллектора будет слабо возрастать за счет эффекта Эрли.При этом будет уменьшаться ток.Для поддержания его постоянным приходится увеличивать ток инжекции эмиттерного перехода, а значит, и ток коллектора. Поэтому ВАХ БТ ОЭ имеет, в отличие от схемы с ОБ, четко выраженный наклон (рис.11).

Рис.11. Семейство выходных ВАХ транзистора ОЭ

Для получения выражения основного уравнения для схемы с ОЭ, связывающего величины выходного и входного токов БТ с общим эмиттером, из системы уравнений: основное уравнение БТ ОБ (3) и основного уравнения Кирхгофа для БТ исключается ток эмиттера и соответствующей заменой получается требуемое выражение:

, (12)

где , (13)

называется сквозным током транзистора.

В пренебрежении им, можно считать, что

. (14)

УКАЗАНИЯ

по измерению характеристик биполярных транзисторов с помощью автоматизированной установки

Установка подключается к ПК через LPT порт.

Рис.12 Структурная схема установки

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для проведения измерений следует: включить установку с помощью выключателя на боковой стенке прибора, должен загореться зелёный индикатор «сеть» на передней панели установки.

Запустить программу для снятия ВАХ биполярных структур. Появится главное окно программы, панель инструментов которой изображена на рис.13

Рис.13 Панель инструментов программы

В окне программы появится окно базы данных, в которой заложены примеры уже снятых измерений. Их можно просмотреть, нажав кнопку просмотр в верхнем левом углу данного окна (рис.13).

Рис.14 Окно базы данных

Сведения об образцах можно посмотреть в пункте «параметры» меню настроек. В качестве образцов используются транзисторы следующих марок: КТ306А, МП37А, КТ940А, КТ315Г.

ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение выходных характеристик образца

1. Включить установку с помощью выключателя на боковой стенке прибора, должен загореться зелёный индикатор «Сеть» на передней панели установки. Запустить программу с помощью ярлыка «Биполярные» на рабочем столе ПК.

Примечание. Визуальная информация по пп. 3 – 10 приведена на рис.15.

2. В главном меню в графе «Измерения» (рис.15) выбрать пункт «Осциллограф». Появится окно «Осциллограф», в котором будут отображаться характеристики. В этом окне слева на индикаторе расположена температурная шкала.

Выбрать номер образца в окне осциллографа в выпадающем списке «Образец», находящимся под индикатором. Номерам 1 – 4 соответствуют образцы БТ КТ306А, МП37А, КТ940А и КТ315Г. Аналогичным образом при помощи выпадающего списка «Схема» выбрать схему измерений для снятия выходных ВАХ.

Ввести в графе «Напряжение коллектор-эмиттер» нужное напряжение (по указанию преподавателя). В выпадающем списке «Предел измерений тока коллектора» установить нужный предел (рекомендуется 50 мА). При зашкаливании за него загорится красный индикатор рядом со списком пределов. В графе «Ток базы» с помощью ползунка установить (по указанию преподавателя) необходимую величину тока. Установить флажок «обновлять». С этого момента начинается снятие характеристик и отображение их на индикаторе осциллографа.

3. Для сохранения результатов нажать флажок «Сохранить серию». При этом появляется окно «Сохранить», где надо присвоить имя данному сохранению (по умолчанию «Измерение1»). Для сохранения нажать «ОК». После этого на месте кнопки «Сохранить серию» появятся 2 кнопки «+» и «||». «+» служит для добавления очередной серии, а «||» для завершения записи. Эти результаты сохраняются в базе данных, где их потом можно просмотреть.

Масштаб при появлении характеристики выставляется автоматически. Для его редактирования нажать кнопку «Настройки графика» на панели инструментов осциллографа (рис.16), в окне редактора графика выбрать вкладку «Axis» и нажать кнопку «Scale». Кнопки «авто» и «уменьшить» в окне осциллографа также позволяют изменять масштаб выводимого графика (рис 15).Повторить измерения, изменив ток базы, и сохранив в эту же серию.

Проделать данные измерения при повышенной температуре. Для этого в главном окне программы в меню настроек выбрать пункт «Термостат» и выставить начальное и конечное значения температуры и шаг ее изменения. Поставить флажок «Термостат» в окне осциллографа, находящийся около флажка «Обновлять» (рис.15). При этом на измерительном блоке загорится красный индикатор «Термостат». Проделать эти же измерения на другом образце, изменив при необходимости значения напряжения коллектор-эмиттер.

4. Выбрать пункт меню измерений «База данных» или просто войти в окно базы данных (в этом окне появятся даты ранее проведённых и сохранённых измерений). Для просмотра снятой характеристики нужно выбрать дату нужного измерения и нажать на «+». Появятся список БТ, из которого нужно выбрать нужный образец, и нажать на символ «+» нужного образца. При этом появится список измерений, проделанных с данным БТ. Следует выбрать нужное измерение и нажать кнопку «Просмотр» в верхнем левом углу окна «база данных» (рис.14).

5. Существует возможность просмотра зависимости напряжения и тока от времени, для чего нужно щёлкнуть правой кнопкой мышки в окне осциллографа и выбрать соответствующий пункт контекстного меню. Существует также возможность просмотра зависимости в табличной форме, для чего нужно нажать правую кнопку мыши на графике и выбрать пункт контекстного меню «Таблица». Табличные значения можно либо сохранить в файл, либо скопировать в буфер обмена, воспользовавшись контекстным меню.

При необходимости следует установить флажок «Все», чтобы посмотреть всё семейство характеристик.

В случае необходимости можно применить сглаживание. Для редактирования графиков нужно открыть вкладку «Series» в окне «Editing Chart». Для этого нужно нажать кнопку «Настройки графика» на панели инструментов. На экране появится окно «Series». В этом окне из выпадающего списка меню выбрать серию экспериментов, которую нужно отредактировать.

Примечание. Визуальная информация по пп. 3 – 10 – на рис.15.

Снятие входных характеристик БТ

Включить установку с помощью выключателя на боковой стенке прибора. При этом загорится зелёный индикатор «Сеть» на передней панели ОС ПК.

Запустить программу с помощью ярлыка «Биполярные» на рабочем столе ОС ПК.

Примечание. Визуальная информация по пп. 3 – 10 дана на рис.15.

6. В главном меню в графе «Измерения» выбрать пункт «Осциллограф». В этом окне отображаются характеристики. Там же слева на индикаторе расположена шкала температур.

7. Выбрать номер образца в окне осциллографа в выпадающем списке «Образец», находящимся под индикатором. Под номерами 1 – 4 представлены образцы БТ КТ306А, МП37А, КТ940А и КТ315Г соответственно. Аналогичным образом при помощи выпадающего списка «Схе-ма» выбрать схему измерений для снятия входных характеристик.

Ввести в графе «Напряжение коллектор-эмиттер» нужное напряжение (по указанию преподавателя). Установить флажок «Обновлять». С этого момента начинается снятие характеристик и отображение их на индикаторе осциллографа.

8. Для сохранения результатов нажать флажок «Сохранить серию». При этом появляется окно «Сохранить», где надо присвоить имя данному сохранению (по умолчанию «Измерение1»). Для сохранения нажать «ОК». После этого на месте кнопки «Сохранить серию» появятся 2 кнопки: «+» и «||». «+» служит для добавления очередной серии, а «||» — для завершения записи. Эти результаты сохраняются в базе данных. Потом их можно просмотреть.

Рис.15. Окно осциллографа в режиме снятия выходных ВАХ БТ

9. Масштаб при появлении характеристики выставляется автоматически. Для его редактирования нажать кнопку «Настройки графика» на панели инструментов осциллографа (рис.17), в окне редактора графика выбрать вкладку «Axis» и нажать кнопку «Scale». Кнопки «Авто» и «Уменьшить» в окне осциллографа позволяют изменять масштаб выводимого графика (рис 16).

10. Повторить измерения, изменив ток базы и сохранить в эту же серию.

11. Проделать эти измерения при повышенной температуре. Для этого в главном окне программы в меню настроек выбрать пункт «Термостат» и выставить начальное и конечное значения температуры, шаг ее изменения. Поставить флажок «Термостат» в окне осциллографа, находящийся около флажка «Обновлять».

12. Проделать эти же измерения на другом образце, изменив при необходимости значения напряжения коллектор-эмиттер.

13. Выбрать пункт меню измерений «База данных» или просто войти в окно базы данных. В этом окне появятся даты ранее проведённых и сохранённых измерений.

14. Для просмотра снятой характеристики нужно выбрать дату нужного измерения и нажать на «+». Появится список БТ, из которого нужно выбрать нужный образец и нажать на символ «+» нужного нам образца. При этом появится список измерений, проделанных с данным БТ. Выбрать нужное измерение и нажать кнопку «Просмотр» в верхнем левом углу окна «База данных» (рис.14).

15. Перейти в режим просмотра измерений. При необходимости установить флажок «Все», чтобы посмотреть всё семейство характеристик.

16 Применить сглаживание, если необходимо.

17. Для редактирования графиков нужно открыть вкладку «Series» в окне «Editing Chart». Для этого нужно нажать кнопку «Настройки графика» на панели инструментов. На экране появится окно «Series». В этом окне из выпадающего списка меню выбрать серию экспериментов, которую нужно отредактировать.

Примечание: если для измерений при повышенной температуре нужно, чтобы температура держалась постоянная, нужно в настройках термостата начальную и конечную температуру задать одинаковыми, а шаг нулевым.

Рис.16 Окно настроек параметров графика

Рис.17 Панель инструментов осциллографа

Задание на экспериментальную часть

Измерить на АРМ семейство из двух выходных ВАХ ОЭ для заданных значений входного тока Iб и выходного напряжения | | .

Измерить на АРМ семейство входных ВАХ ОЭ для нулевого и двух заданных преподавателем входных напряжений | |.

Измерить на АРМ семейство из двух выходных ВАХ ОБ для заданных преподавателем значений входного тока I э.

Измерить на АРМ семейство из нулевого и двух входных напряжений ВАХ ОБ заданных входных напряжений | |.

Сравнение ВАХ БТ ОЭ, измеренных на АРМ и стенде

Цель работы-изучения: устройства маломощных БТ; взаимосвязь ВАХ и параметров БТ в схемах ОЭ и ОБ; взаимосвязь ВАХ БТ ОЭ, измеренных вручную и на АРМ.

Выполнение измерений, их анализ

1. На стенде ЭС-4 собрать схему для измерения выходных ВАХ БТ ОЭ. Подсоединить к разъему стенда ЭС-4 транзистор, однотипный с используемым на АРМ. С помощью шунтирующего резистора, подключаемого к гнездам Г2, Г7 , скомпоновать схему, приведенную на рис.10.

2. Задать величину тока базы ВАХ, совпадающую с измеренной на АРМ. Выполнить измерение выходной ВАХ ОЭ для этого тока. Число экспериментальных точек ВАХ — 8-10, в том числе при UВЫХ = -0,25; -0,75; -1В.

3. Выполнить измерения двух входных ВАХ БТ ОЭ.

4. Перекоммутировать схему стенда ЭС-4 для измерения выходной ВАХ БТ ОБ и снять ее для тока эмиттера, равного току Iк БТ ОЭ при Uкэ = 1,5 В.

5. Построить графики входной и выходных ВАХ. Проанализировать степень и причины расхождения формы ВАХ, полученными на стенде и АРМ.

Статьи к прочтению:

Биполярный транзистор. Основные параметры, схемы включения и мн.др.


Похожие статьи:

Персональный сайт — 4) Биполярный транзистор. Его структура. ВАХ.

4) Биполярный транзистор. Его структура. ВАХ.

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 n-p-n и p-n-p 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.

Рассмотрим ВАХ транзистора для различных схем включения (нормальный активный режим). При построении ВАХ в цепи любого из электродов не должно быть дополнительных элементов.

 

Схема с ОБ.

Входная характеристика: iЭ = f (UЭБ) при UКБ = const (рисунок 7).

При UКБ1 = 0 входная характеристика представляет собой обычную ВАХ прямосмещенного p-n перехода. При UКБ ≠ 0: когда UЭБ = 0. т.е. ЕЭ = 0 имеем следующие процессы. В выходной цепи существует ток. Неосновные носители заряда проходя через узкую и достаточно длинную n-область создают разность потенциалов, который обеспечивает начальный ток эмиттера, т.е. при UКБ2 ≠ 0 происходит смещение ВАХ вверх по оси токов. С увеличением UКБ смещение будет увеличиваться, т.к. будет возрастать начальный ток эмиттера.

Выходная характеристика: iК = f (UКБ) при IЭ = const (рисунок 8).

При IЭ = 0 входная цепь разорвана и выходная ВАХ представляет собой ВАХ обратносмещенного p-n перехода.

При увеличении IЭ. При подключении ЕЭ и отсутствии ЕК IK создается основными носителями заряда инжектированными эмиттером. При подключении ЕК ток начнет увеличиваться из-за неосновных носителей базы. Но есть еще одно обстоятельство. При увеличении ЕК, коллекторный переход, находящийся под обратным смещением начнет уменьшаться. А значит дырке из эмиттера нужно пройти меньшее расстояние, чтобы попасть из базы в p-область, т.е. уменьшается вероятность ее рекомбинации – эффект модуляции тока. За счет этой составляющей коллекторный ток также увеличивается.

В сочетании с нагрузочной прямой по ВАХ можно получить реальный режим работы. При увеличении тока эмиттера увеличивается ток коллектора и уменьшается напряжение на нем. Существуют предельные значения напряжения UКБ и IК. Следовательно, существует и предельно допустимая мощность, выражаемая гиперболой. Этими границами руководствуются при выборе нагрузки, т.к. нагрузочная прямая не должна лежать за пределами границ.

 

Схема с ОЭ.

Входная характеристика: iБ = f (UБЭ) при UКЭ = const (рисунок 9).

При UКЭ1 = 0 входная характеристика представляет собой обычную ВАХ прямосмещенного p-n-перехода (эмиттерного, т.к. UКЭ=0).

При увеличении UКЭ2 IКБ0<0, т.к. ток протекает в направлении противоположном протеканию тока в нормальном активном режиме. Поэтому ВАХ смещается вниз по оси токов.

Выходная характеристика: iК = f (UКЭ) при IБ = const (рисунок 10).

При IБ = 0. В этом случае имеем два встречно соединенных p-n-перехода: 1- смещен в обратном направлении, 2 – в прямом. При обратном смещении сопротивление перехода велико, поэтому ток будет определяться обратносмещенным переходом. Поэтому в нашем случае, выходная ВАХ представляет собой ВАХ коллекторного перехода при обратном смещении. При IБ ≠ 0 : когда UКЭ = 0 IK < 0.

 

Схема с ОК.

Входная характеристика: iБ = f (UБК) при UЭК = const (рисунок 11).

При UЭК1 = 0. При UБК = 0 источников электрической энергии нет и IБ = 0. При увеличении UБК к транзистору будут прикладываться обратное напряжение и оба перехода будут смещаться в обратном направлении, поэтому ВАХ – это обратная ветвь p-n-перехода.

При UЭК2 ≠ 0 появиться ЕЭ, которая будет пытаться сместить эмиттерный переход в прямом направлении. При ЕЭ = ЕБ IБ = 0. Далее ЕЭ > ЕБ – переход смещается в обратном направлении. Поэтому при увеличении UЭК характеристика смещается вправо по оси напряжений.

Схема с ОК характеризуется очень маленькими входными токами. Напряжения могут быть большими. Схема с ОК имеет большое входное сопротивление.

Выходная характеристика: iЭ = f (UЭК) при IБ = const (рисунок 12).

Выходные характеристики схемы с ОК аналогичны выходным характеристикам схемы с ОЭ.

Статические ВАХ биполярного транзистора — Студопедия.Нет

Вид входных и выходных вольт-амперных характеристик транзистора (рис. 2.6, а, б) зависит от схемы его включения (этот факт также хорошо отражает полученная общая математическая модель (2.8), (2.9), (2.10). Оба семейства ВАХ получаются довольно просто из математической модели Молла-Эберса. Поскольку транзистор работает в режиме заданных токов, семейство входных и выходных ВАХ можно представить выражениями:

                                    (2.11)

                                  (2.12)

На выходных ВАХ (рис. 2.6, б) видны два резко различных режима работы транзистора — активный (первый квадрант) и режим двойной инжекции (второй квадрант).

 

              

 
а)                                                         б)

Рис. 2.6. Статические ВАХ n-p-n- транзистора в схеме с ОБ: а — входные; б — выходные (затемнена область неуправляемых токов)

Нормальный активный режим (при U кб > 0): эмиттерный переход находится под прямым, а коллекторный — под обратным напряжением. Для активного режима формулы (2.11) и (2.12) упрощаются, так как при | U к | > 3 j t исчезают экспоненциальные составляющие, а если еще пренебречь током I кб0 и величиной 1- a , тоэти выражения вообще упрощаются:

                                                           (2.13)

                                                              (2.14)

Режим двойной инжекции или насыщения (при U кб < 0): эмиттерный и коллекторный переходы находятся под прямым напряжением. Для режима двойной инжекции характерен спад коллекторного тока при неизменном токе эмиттера. Это — результат встречной инжекции со стороны коллектора.

Семейство входных ВАХ представляет узкий пучок характеристик, что свидетельствует о слабом влиянии коллекторного напряжения на входное напряжение. Наклон выходных коллекторных характеристик также показывает слабую зависимость коллекторного тока от коллекторного напряжения.

Тем не менее эта зависимость есть и объяснить ее можно с помощью эффекта Эрли.

Влияние эффекта Эрли на ход входных ВАХ заключается вследующем. Изменение коллекторного напряжения приводит к изменению ширины базы. Поскольку ток эмиттера , а значит и градиент концентрации носителей заданы, изменение ширины базы приводит к изменению граничной концентрации носителей, а это связано с изменением напряжения на эмиттерном переходе.

Влияние эффекта Эрли на наклон выходных коллекторных характеристик объясняется влиянием коллекторного напряжения на ширину запрещенной зоны, а следовательно, и на сопротивление коллекторного перехода, и на коллекторный ток. Таким образом, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода обусловлено эффектом Эрли, поэтому полное выражение для коллекторного тока с учетом эффекта Эрли будет

                                                        (2.15)

Наклон коллекторных характеристик транзистора в схеме с ОЭ
(рис. 2.7, б) выражен сильнее, нежели в схеме с ОБ. Это говорит о том, что сопротивление коллекторного перехода и напряжение пробоя у транзистора в схеме с ОЭ будут значительно меньше, чем в схеме с ОБ. Эту особенность можно объяснить тем, что приращение D U кэ  частично падает на эмиттерном переходе, то есть вызывает приращение D U бэ,что неизбежно повлечет за собой увеличение эмиттерного тока и дополнительное приращение коллекторного тока.

                          

 
а)                                                         б)

Рис. 2.7. Статические ВАХ n-p-n- транзистора в схеме с ОЭ: а — входные; б — выходные (затемнена область неуправляемых токов)

Сопротивление коллекторного перехода в предпробойной области уменьшается в 1+ b раз, наклон ВАХ быстро возрастает и пробой перехода наступает значительно раньше, чем в схеме с ОБ

 

где: rкп.оэ — сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ; rкп.об — сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОБ.

 Принципиальные отличия схем включения транзисторов с ОБ и с ОЭ.

  1. У транзистора в схеме с ОБ отсутствует усиление по току, но усиле-

ние по напряжению в этой схеме лучше, чем в схеме с ОЭ.

  2. Схема на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является лучшим усилителем мощности, так как в ней происходит усиление и по току и по напряжению.

  3. У транзистора в схеме с ОБ хуже согласующие свойства, чем
в схеме с ОЭ.

4. Сопротивление коллекторного перехода у транзистора в схеме с ОБ больше, чем в схеме с ОЭ в (1+ b ) раз., следовательно, напряжение пробоя коллекторного перехода у транзистора в схеме с ОБ больше, чем в
схеме с ОЭ.

5. Температурные и частотные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с ОЭ.

6. У транзистора в схеме с ОБ слабее, чем в схеме с ОЭ, выражен эффект Эрли (влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток и на входное напряжение более заметно в схеме с ОЭ.

 

Статические вольт-амперные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой

При любом включении транзистор характеризуется семейством входных и выходных характеристик. На рис. 6.9,а показаны зависимости коллекторного тока от разности потенциалов между коллектором и базой UКБ для pnp-транзистора или выходные ВАХ транзистора с ОБ (или выходными ВАХ), поскольку они характеризуют выходную цепь транзистора.

На рис. 6. 9,б показаны зависимости тока эмиттера от разности потенциалом между эмиттером и базой UЭБ, или входныеВАХ транзистора с ОБ (или просто входными ВАХ), поскольку они характеризуют входную цепь транзистора.

 
 

а б

Рис. 6. 9.Выходные и входные ВАХ pnp-транзистора с ОБ

Следует напомнить, что для pnp-транзисторов при нормальном включении эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном. Соответственно для npn-транзисторов при нормальном включении Uэб<0, Uкб>0 и Iэб<0, Iкб>0. Обычно все ВАХ рисуют в первом квадранте, т.е. по существу по осям откладывают модули соответствующих токов и напряжений.

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают три режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный – в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах.


В импульсных схемах транзистор работает в режиме электронного ключа. При этом ток коллектора в открытом состоянии транзистора (когда ключ замкнут) ограничивается не транзистором, а внешними сопротивлениями. Говорят, что ток не растёт с ростом входного тока, а достигается насыщение роста. Отсюда возник термин – «режим насыщения». В режиме насыщения оба pn-перехода смещены в прямом направлении. Разомкнутому состоянию электронного ключа соответствует режим отсечки тока, или просто «режим отсечки». В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. Таким образом, возможны три состояния (три режима работы транзистора) – активный, насыщения и отсечки.

Учитывая симметричную структуру транзистора, функции эмиттера и коллектора можно поменять местами. При этом включение транзистора называют инверсным. Очевидно, что как и при нормальном включении, здесь также возможны три режима – активный, насыщения и отсечки.


Рассмотрим влияние режимов работы транзистора (и его ВАХ) более подробно. Если положить UКБ=0, то, как видно из рис. 6.9,б входная характеристика транзистора соответствует характеристике pn-перехода, включенного в прямом направлении. Если UКБ ¹ 0, то входная характеристика изменяется, т.е. транзистор – прибор, в котором существует обратная связь и сигнал в выходной цепи может оказывать влияние на сигнал входной цепи.

При UЭБ=0 и UКБ концентрация в базе равновесная pn, градиент концентрации в базе отсутствует, токи через эмиттерный и коллекторный переходы равны нулю (т.0). В случае узкой базы распределение концентрации неосновных носителей в базе можно считать линейным.

На ВАХ можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: активную область, область насыщения и область отсечки.

Если эмиттер смещен в прямом направлении, происходит инжекция носителей заряда в базу и, доходя до коллектора, они создают ток в выходной цепи (т. А на рис. 6.9).

Активная область (т. А на рис. 6.9, б) соответствует усилительному режиму. Для нее выполняются условия UЭБ>0, UКБ<0, следовательно, в соответствии pn(0)>pn0, pn(W)<pn0. Как правило, |UКБ|>>||, поэтому можно считать pn(W)≈0.

Возрастание UЭБ будет сопровождаться увеличением тока эмиттера, а также ростом pn(0) и ростом градиента концентрации неосновных носителей заряда ∂pn/∂x, а, следовательно, возрастанием тока через базу (т. В на рис. 6.9), изменяет скорость рекомбинации и ток базы.

Отметим тот факт, что в активном режиме переходы транзистора имеют различную ширину: запертый коллекторный переход значительно шире открытого эмиттерного перехода.

Если при постоянном токе эмиттера увеличивать обратное смещение на коллекторе, ширина ОПЗ коллекторного перехода будет возрастать, ширина базы уменьшается (эффект Эрли, рис. 6.10,б) и градиент концентрации в базе в этом случае может остаться постоянным только при уменьшении концентрации неосновных носителей у ЭП. Это соответствует уменьшению напряжения на эмиттере и смещению характеристик влево (т. С на рис. 6.9).

а б
нормальное включение, UКБ=const, UЭБ – переменное нормальное включение, UЭБ =const, UКБ – переменное
Рис. 6.10 Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора при нормальном включении в схеме с ОБ

Если напряжение на ЭП равно нулю, отрицательное напряжение на коллекторе приводит к уменьшению концентрации дырок в базе, состояние термодинамического равновесия на ЭП нарушается, что в свою очередь вызывает приток дырок из эмиттера, и ток эмиттера при UКБ < 0 отличен от нуля (т. D на рис. 6.9).

Если положить IЭ = 0, то выходная характеристика будет соответствовать ВАХ pn-перехода, включенного в обратном направлении (рис. 6.9,а). Проходящий при этом в коллекторной цепи ток IКБ0 является неуправляемым и часто, называется тепловым, поскольку он создается неосновными носителями, генерируемыми в области базы и эмиттера. Ток IКБ0 надо именно измерять, так как аналитически оценить все составляющие тока невозможно.

С увеличением напряжения на коллекторе ток коллектора растет. Величина наклона кривых характеризуется сопротивлением . С увеличением напряжения на коллекторе ширина базы уменьшается, вследствие чего уменьшается вероятность рекомбинации дырок в базе, и при постоянном токе эмиттера ток дырок, доходящих до коллектора, должен возрастать с повышением напряжения на КП. Поэтому сопротивление коллектора должно уменьшаться.

Завершая рассмотрение активного режима, отметим, что основной вклад в ток через базовый электрод (ток базы) вносит рекомбинационная составляющая. Равная ей рекомбинационная составляющая тока эмиттера определяет его отличие от тока коллектора, создаваемого практически исключительно сквозным потоком дырок, (). С учетом того, что база транзистора делается очень узкой и слабо легируется, потери электронов на рекомбинацию в базе очень невелики, и IБ<< IЭ.

Инверсный режим (инверсный активный режим) работы транзистора аналогичен активному режиму с той лишь разницей, что в этом режиме в открытом состоянии находится коллекторный переход, а в закрытом – эмиттерный переход. Коэффициент усиления по току в инверсном режиме для pnp-транзистора можно записать по аналогии с :

В связи с тем, что усилительные свойства транзистора в инверсном режиме оказываются значительно хуже, чем в активном режиме, транзистор в инверсном режиме практически не используется.

Режим насыщения (т. А и т. Е на рис. 6.9) соответствует режиму, при котором оба перехода транзистора находятся в открытом состоянии. Границы режима насыщения определяются условиями UЭБ>0 и UКБ≥0, следовательно, pn(0)>pn0, pn(W)≥pn0. В точке А UЭБ>0 и UКБ=0, соответственно pn(0)>pn0и pn(W)=0, в точке Е UКБ>0 и Uк.б>0, соответственно pn(0)>pn0и pn(W)>pn0. (рис. 6.11).

а б
UЭБ– положительное, UКБ=0 (т. А) оба перехода смещены в прямом направлении (т.Е)
Рис. 6.11 Распределение неосновных носителей в базе pnp-транзистора в режиме насыщения по схеме с ОБ

В этом режиме и эмиттер, и коллектор инжектируют электроны в базу, в структуре протекают два встречных сквозных потока дырок (нормальный и инверсный). От соотношения этих потоков зависит направление токов, протекающих в цепях эмиттера и коллектора.

Вследствие двойной инжекции база транзистора очень сильно насыщается избыточными носителямими (электронами для npn-транзистора и дырками для pnp-транзистора), из-за чего усиливается их рекомбинация с основными носителями, и рекомбинационный ток базы оказывается значительно выше, чем в активном или инверсном режимах. Ток коллектора не обеспечивает отвод всех подходящих к коллектору инжектированных носителей заряда (говорят об ограничении тока коллектора).

В связи с насыщением базы транзистора и его переходов избыточными носителями заряда, их сопротивления становятся очень маленькими. Поэтому цепи, содержащие транзистор, находящийся в режиме насыщения, можно считать короткозамкнутыми, в этом режиме транзистор представляет собой эквипотенциальную точку.

В режиме отсечки (см. т. F на рис. 6.9) оба перехода транзистора находятся в закрытом состоянии.

Рис. 6.12 Оба перехода смещены в обратном направлении (режим отсечки) т. F

Сквозные потоки электронов в режиме отсечки отсутствуют. Через переходы транзистора протекают потоки неосновных носителей заряда, создающие малые и неуправляемые тепловые токи переходов. База и переходы транзистора в режиме отсечки обеднены подвижными носителями заряда, в результате чего их сопротивления оказываются очень высокими. Поэтому считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

Режимы насыщения и отсечки используются при работе транзисторов в импульсных (ключевых) схемах.

Рассмотренные процессы инжекции и собирания носителей коллектором не зависят от схемы включения, соответственно, и рассмотренные режимы – будут иметь место и в каскадах с общим эмиттером и общим коллектором.

27. Биполярные транзисторы. Типы вах и т.Д.

Транзисторы являются управляемыми полупроводниковыми приборами, обеспечивающими усиление сигналов. По принципам действия их делят на управляемые электрическим током (биполярные) и управляемые электрическим полем (полевые).

Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух электронно-дырочных переходов с общей n-областью (или р-областью), взаимодействующих между собой так, что обратный ток одного из р-nпереходов является функцией прямого тока второго перехода (рис. 12.13). В основе указанного взаимодействия лежит явление инжекции – ввода неосновных носителей тока в общую область, например дырок в р-области в общую n-область.

Ввод дырок одной из р-областей в общую n-область происходит в несимметричном pn – переходе при прохождении через него прямого тока . Таким образом, действие биполярного транзистора основано на процессе управления концентрациями неосновных носителей тока.

Если, например, к левому р-n – переходу подключить источник напряжения , то через первый переход пойдет прямой ток, который вр-области левого перехода будет практически дырочным током . Поток дырок, создающих , вводится (инжектируется) в n-область. Часть инжектированных дырок рекомбенирует в n-области с электронами, поступающими от источника Однако, большинство дырок, которые вn-области являются неосновными носителями, захватывается электрическим полем правого перехода, создавая ток . Поэтому через правыйр-n – переход проходит в обратном направлении ток

, где – ток, обусловленный собственными носителями;– ток, обусловленный инжектированными носителями.

Таким образом, левый р-n переход с прямым током поставляет в n-область неосновные носители тока – эмиттирует и поэтому называется эмиттерным. Он является управляющим переходом. Правый pn – переход собирает поставленные в n-область неосновные носители тока и называется коллекторным. Общая n-область называется базой. Отходящие от соответствующих областей металлические выводы (электроды) называются эмиттером Э, коллектором К и базой Б биполярного транзистора (рис. 12.14), а токи, проходящие по ним – токами эмиттера , коллектораи базы. База, как указывалось, может иметь электронную и дырочную проводимость. Соответственно различаются биполярные транзисторы типаpnp и npn.

Биполярный транзистор выполняется из кристалла германия или кремния, в котором путем вплавления, диффузии (или другим технологическим способом) примесей, например, индия, формируются два электронно-дырочных перехода (рис. 12.14).

Различают входные и выходные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора. Входная, или базовая, характеристика – это зависимость между током и напряжением на входе транзистора (рис. 12.15 а).

Известны три схемы включения транзисторов:

1) с общей базой (рис. 12.16 а) – используют в устройствах для усиления напряжения и мощности;

2) с общим эмиттером (рис. 12.16 б) – применяют для усиления мощности;

3) с общим коллектором (рис. 12.16 в) – схема обладает большим выходным сопротивлением, и ее используют в так называемых эмиттерных повторителях для повышения входного сопротивления электронного устройства.

Биполярные транзисторы обозначают буквами ГТ (германиевые) и КТ (кремниевые) с цифрами, характеризующими параметры транзистора. Основные электрические параметры транзистора следующие: ,– ток базы и ток коллектора соответственно,– напряжение между базой и эмиттером,– напряжение между коллектором и эмиттером. Кроме этих параметров для расчета и анализа устройств с биполярными транзисторами используются так называемыеh-параметры: – входное сопротивление транзистора,– коэффициент обратной связи по напряжению,– коэффициент передачи по току (характеризует усилительные свойства транзистора),– характеризует выходную проводимость.

Вольт-амперные характеристики (вах) биполярных транзисторов (статические характеристики). Схемы для снятия вах.

ВАХ транзисторов устанавливают связь между токами в электродах и напряжениями, приложенными к электродам. При любой схеме включения в транзисторе всегда связаны между собой четыре величины.

Зависимость между этими величинами определяется из двух семейств статических характеристик:

Входных: при ;

Выходных: при .

В зависимости от схемы включения транзистора значения будут различными. Поэтому и внешний вид характеристик будет различным.

В справочниках по транзисторам, как правило, приводятся типовые семейства характеристик, представляющие собой усредненные характеристики большого числа однотипных транзисторов для схем включения с ОБ и с ОЭ.

Для схем ОБ характеристики определяются зависимостями:

Входные: при ;

Выходные: при .

ВАХ в схеме с ОБ могут быть сняты по следующей схеме:

Схема для снятия статических ВАХ

транзистора n-p-nтипа в схеме с ОБ.

Изменяя положение регуляторов резисторов RЭ и RК снимают показания вольтметров V1, V2 и амперметров А1, А2. По полученным показаниям строятся входные и выходные ВАХ.

Входные ВАХ

в схеме с ОБ

Выходные ВАХ

в схеме с ОБ

Входная характеристика при UКБ=0 точно соответствует ВАХ диода, включенного в прямом направлении. Увеличение UКБ смещает ВАХ влево, ближе к оси токов, что связано с модуляцией толщины базы (уменьшение толщины и снижение поперечного сопротивления базы) и увеличением IЭ при неизменном UЭБ. При UКБ равном нескольким вольтам ВАХ практически сливаются, что объясняется уменьшением влияния UКБ на эмиттерный переход. Довольно часто для схем с ОБ приводят только одну ВАХ при UКБ=const.

Выходная характеристика при (обрыв цепи эмиттера) соответствует (обратный неуправляемый ток коллектора, который практически не зависит от UКБ), что соответствует ВАХ диода, включенного в обратном (запорном) направлении. При увеличении IЭ, ток IК тоже растёт, т.к. IКIЭ и слабо зависит от UКБ. Небольшая зависимость IК от UКБ связана с эффектом Эрли, т.к. уменьшается толщина базы и повышается α за счет снижения рекомбинации в более тонкой базе (повышается коэффициент переноса ).

При IЭ≠0 ток IК также не равен нулю даже при UКБ=0, что обусловлено экстракцией электронов в коллектор из базы за счёт ускоряющего поля потенциального барьера коллекторного перехода и падения напряжения на продольном сопротивлении базы от базового тока.

При изменении полярности UКБ (UКБ>0) ток IК быстро уменьшается до нуля и даже может изменить направление, т.к. переход база-коллектор оказывается включенным в прямом направлении.

Для схемы с ОЭ характеристики определяются зависимостями:

Входные: при ;

Выходные: при .

ВАХ в схеме с ОЭ могут быть сняты по следующей схеме:

Схема для снятия статических ВАХ

транзистора n-p-nтипа в схеме с ОЭ.

Изменяя положение регуляторов RЭ и RК снимают показания вольтметров V1, V2 и амперметров А1, А2. По полученным показаниям строятся входные и выходные ВАХ.

Входные ВАХ Выходные ВАХ

в схеме с ОЭ в схеме с ОЭ

Входная характеристика при UКЭ=0 представляет собой ВАХ прямого тока p-n перехода (эмиттерного перехода).

Увеличение UКЭ смещает ВАХ правее и ниже, что связано с уменьшением эффективной толщины базы за счёт её модуляции и снижением рекомбинации. Это уменьшает величину базового тока при одном и том же напряжении UБЭ. Уменьшение IБ происходит ещё и за счёт перераспределения IЭ в коллекторную цепь.

При наличии напряжения UКЭ и его изменении, ветви входной ВАХ располагаются плотно друг к другу, поэтому можно ограничиться только одной входной ВАХ, снятой при одном фиксированном напряжении UКЭ, например, равном 5В.

При малых значениях UБЭ, например при UБЭ=0, ток базы может быть отрицательным, например IБ= —IК0.

Выходные характеристики имеют как правило, значительно больший наклон, чем в схеме с ОБ, что объясняется более существенным уменьшением толщины базы при повышении UКЭ, а так же усилением эффекта лавинного размножения носителей в коллекторном переходе.

При IБ=0, т.е. при разрыве цепи базы, в коллекторной цепи протекает начальный сквозной ток коллектора , который в β раз больше IК0 (), что существенно увеличивает мощность рассеивания на коллекторе и может привести к выходу транзистора из строя. Поэтому подача напряжения на коллектор транзистора с оборванной базой – недопустима.

Как работает биполярный транзистор?

bipolar transistor

Биполярный транзистор — трехконтактный (три электрода), управляемый током полупроводник электронный компонент, который имеет возможность усиливать сигналы постоянного и переменного тока, поэтому каждый транзистор принадлежит к семейство усилителей . Усилитель — это устройство, которое может управлять большей мощностью при меньшем потреблении энергии.

Существует два типа биполярных транзисторов: транзисторов N-P-N и транзисторов P-N-P .Электроды биполярного транзистора имеют следующие названия: — C, — коллектор, B, — база, E — эмиттер. Чаще всего используются кремниевые кремниевые транзисторы (Threshold Voltage V T = 0,6 — 0,7 В), реже — германиевые Ge (V T = 0,2 — 0,3 В). Транзисторы используются практически везде: от усилителей, генераторов, систем переключения питания до компьютеров и более совершенных систем.


Биполярный транзистор — Задачи для студентов

Если вы студент или просто хотите узнать, как решать задачи с биполярным транзистором, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.


Биполярный транзистор — конструкция

Биполярный транзистор состоит из трех полупроводниковых областей с различными типами проводимости: N-P-N или P-N-P. В этом примере две формы p-n перехода ( диодов ): база-эмиттер (BE) и база-коллектор (BC).

npn bipolar transistor symbol

Рис. 1. Обозначение биполярного транзистора NPN и конструкция его переходов

pnp bipolar transistor symbol

Рис. 2. Обозначение биполярного транзистора PNP и конструкция его переходов

Diode replacement models of transistors

Рис.3. Модель замены диода транзистора NPN

pnp Diode replacement models of transistors

Рис. 4. Модель замены диода транзистора PNP

Distribution of currents in NPN transistor

Рис. 5. Распределение токов в транзисторе NPN

Биполярный транзистор — принцип работы действия

Главное Особенностью биполярных транзисторов является возможность управления большим током с использованием малого . В зависимости от рабочей точки транзистор может находиться в четырех режимах работы:

  • Cut-off mode — переход база-эмиттер вообще не смещен или имеет обратное смещение.Значения тока коллектора очень малы,
  • Прямой активный режим (чаще всего называется активным режимом ) — переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Здесь стоит отметить, что нельзя превышать напряжение перехода (кремниевые или германиевые диоды), что может привести к протеканию большого тока базы и возможному повреждению транзистора. Ток коллектора принимает значение, в β раз превышающее значение базового тока.Напряжение база-эмиттер вводит основные носители из эмиттера через переход к базе (в N-P-N электронах и в P-N-P дырках). Носители вводятся из эмиттера в базовую область (поплавок) (явление диффузии) в область перехода база-коллектор, где их концентрация ниже). Здесь под действием электрического поля в области обеднения они притягиваются к коллектору. В результате этих операций между базой и эмиттером должен протекать небольшой ток, позволяющий протекать большему току между электродами коллектора и эмиттера.
  • Обратно-активный режим (инвертированный режим) — переход база-эмиттер смещен в обратном направлении, а база-коллектор смещен в прямом направлении. Усиление тока небольшое,
  • Режим насыщения — Напряжение коллектор-эмиттер падает до небольшой величины. Базовый ток настолько велик, что коллекторная цепь не может усилить его в β раз больше.

Биполярный транзистор — вольт-амперные характеристики

bipolar transistor characteristics

Рис. 6. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (OE)

bipolar transistor characteristics ob

Рис.7. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (OB)

Эти области транзистора обычно используются в соответствии с потребностями, например:

  • Транзистор как усилитель — транзистор, работающий в прямой активной области, может использоваться для построения системы, которая будет усиливать электрический ток.
  • В качестве переключателя (клапана) — здесь используется переход между областью насыщения (вкл.) И отсечкой (выкл.). Используется в цифровых и импульсных схемах.

Биполярный транзистор — Ограничивающие параметры

  • В EB0max Максимально допустимое обратное смещение база-эмиттер,
  • В CB0max — максимально допустимое обратное смещение База-коллектор ,
  • V CE0max — максимально допустимое прямое смещение база-эмиттер,
  • I Cmax — максимальный ток коллектора,
  • I Bmax — максимальный базовый ток.

Биполярный транзистор — Операционные системы

Система с общим коллектором

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и коллектором транзистора, а сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером. Усиление напряжения этой схемы близко к единице, поэтому на выходе усилителя появляется «повторяющееся» напряжение со входа, отсюда и второе широко используемое название этого усилителя — эмиттер.

amplifier system with common emitter

Рис. 8. Схема напряжения переменного тока усилительной системы с общим эмиттером (ОЭ)

Система общей базы

Между базой и эмиттером транзистора прикладывается усиленное напряжение входного сигнала. тогда как сигнал принимается между базой и коллектором после усиления.

amplifier system with common base

Рис. 9. Схема напряжения переменного тока усилительной системы с общей базой (OB)

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала прикладывается между базой и эмиттером транзистора. тогда как сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером.Таким образом, эмиттерный электрод является довольно «обычным» для входных и выходных сигналов — отсюда и название системы.

OC common collector

Рис. 10. Схема общего коллектора ОС

Биполярный транзистор как переключатель

Биполярный транзистор предназначен для работы в качестве переключателя. Принцип его работы основан на двух рабочих состояниях транзистора: отсечка и насыщение. Под действием сигнала (напряжения) транзистор активируется и переходит из состояния отсечки через активное состояние в насыщение.Когда больше нет управляющего напряжения, транзистор возвращается в состояние отсечки. В отключенном состоянии транзистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому он не пропускает никакой сигнал (это можно рассматривать как разрыв цепи). Однако, когда транзистор насыщен, он имеет низкое сопротивление, и ситуация обратная.

Идеальный транзисторный ключ должен менять состояние почти сразу и иметь очень крутой (вертикальный) переходный процесс, а время переключения должно быть равным нулю.

Существуют способы значительно ускорить процесс переключения транзистора:

  • Уменьшить номинал резистора базы транзистора,
  • Включить параллельную емкость с резистором базы транзистора. Он устраняет эффект интеграции и сокращает время включения транзистора.
  • Соедините базу и коллектор транзистора через германиевый диод (такой переключатель становится квазинасыщенным), который характеризуется более высоким значением насыщения и меньшим временем переключения. .Недостатком этой системы является более высокое значение напряжения в низком состоянии, поскольку транзистор не насыщается.
  • Подключение блока питания к базе транзистора.

Биполярный транзистор — системы поляризации

Ниже представлены наиболее часто встречающиеся системы смещения транзисторов:

system with potentiometric base power

Рис. 11. Система с потенциометрической базовой мощностью

system with forced base current

Рис. 12. Система с принудительной базой ток

system with coupling collector

Рис.13. Система со связью коллектора

system with potentiometric base power and coupling emitter

Рис. 14. Система с потенциометрической базой мощности и связью эмиттера

.

Транзистор биполярный — Википедия

BJT symbol PNP.svg

Биполярный транзистор (на английском языке: биполярный транзистор , BJT ) представляет собой полупроводниковый прибор, изготовленный из полупроводниковых приборов npn npau p. Cele trei zone se numesc emitor (E), base (B), colector (C). Se folosește în circuititele electronicice atât digitale cât și analogice, de obicei pentru ampifica sau transmite un semnal electric.Обозначение транзистора биполярного PNP есть на альтернативном изображении.

Din punct de vedere funcțional un tranzistor este in electronică ceea ce un robinet este in instalaiile mecanice. Permite închiderea sau deschiderea unui circuit electric, acest regim numindu-se «în comutație» când fronturile de schimbare sunt scurte ca durată, bruște, sau este numit analogic, atunci Cand se folosește regimul liniar / tranzión de funcía.

Tranzistorul se numește bipolar deoarece conducția este realizată de două typuri de purtători de sarcină electrică, de semn diferit: electronicii (-), respectiv golurile (+).

Tranzistoarele bipolare se clasifică după puterea disipată.

1.Tranzistoare de mică putere. Sunt tranzistoare инкапсулирован в пластмассовый sau metal și nu sunt destinate montării pe радиатор. Rezistenta termică joncțiune capsulă, la aceste tranzistoare este mai mare decât 15 ° C / Вт. 2.Tranzistoare de putere. Sunt tranzistoare инкапсулирован в пластмассовом sau metal и sântinate pentru montarea pe радиаторе. Rezistența termică joncțiune-capsulă la aceste tranzistoare este mai mica de 15 ° C / W.

  • BJT symbol PNP.svg
  • BJT symbol PNP.svg

    Tranzistoare cu germaniu (vechi)

  • BJT symbol PNP.svg

    Structura tranzistorului биполярный NPN

  • BJT symbol PNP.svg

    Structura tranzistorului биполярный PNP

n Principiu un tranzistor bipolar este o pastilă de siliciu dopată astfel încât să se creeze trei straturi dopate diferit, i deci două joncțiuni pn; astfel, tranzistoarele pot fi „pnp” (zona din mijloc dopată cu element „donoare” de electronici — cu valența 5, celelalte două dopate cu element „acceptoare”, cu valența 3) sau „npn” (допат инверс).Totuși, din cauza grosimii foarte mici a zonei centrale (bază), cele două joncțiuni nu funcționează независимый i între terminalele extreme (собиратель și emitor) poate apărea un curent, aceasta fiind și între terminalele extreme (colector și emitor) poate apărea un curent, aceasta fiind și acei pe post de ampificator de tensiune sau curent.

Конструктивные особенности:

  • Emitorul E este mult mai impurificat decât B sau C
  • Baza B este mult mai subțire decât E i C.
  • S. D. Anghel, Bazele electronicii analogice și digitale , Presa Universitară Clujeană, 2007
.Структура и изготовление биполярного транзистора

»Электроника

Основные сведения о структуре типичных биполярных транзисторов с пояснениями, помогающими понять, как они работают.


Transistor Tutorial:
Основы транзисторов Усиление: Hfe, hfe и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену


Изготовление биполярных транзисторов и их структура прошли долгий путь с момента создания первых транзисторов.

Современные транзисторы изготавливаются с использованием сложных процессов, а структура транзистора позволяет им иметь очень высокие уровни производительности.

Оригинальный транзистор, сделанный Бардином, Браттейном и Шокли, состоял из двух очень близко расположенных контактов на германиевой основе. Конструкция этого транзистора состояла из двух точечных контактов на германиевой базе.

Сегодня транзисторы изготавливаются разными способами и имеют множество различных структур.Они могут быть диффузными, эпитаксиально выращенными или они могут использовать меза-конструкцию.

2N3553 transistor in a TO39 metal can Транзистор 2N3553 в металлической банке ТО39

Структура биполярного транзистора: основы

По сути, транзистор состоит из области полупроводника любого p-типа n-типа, зажатой между областями кремния с противоположным легированием. Таким образом, устройства могут иметь конфигурацию p-n-p или n-p-n.

Есть три соединения, а именно эмиттер, база и коллектор. База находится в центре и ограничена эмиттером и коллектором.Из двух внешних двух коллектор часто делают больше, так как именно здесь рассеивается большая часть тепла.

Transistor basic structure and circuit symbols Базовая структура транзистора и условные обозначения схем

База получила свое название от транзисторов с первым точечным контактом, центральное соединение которых также сформировало механическую «базу» для структуры. Очень важно, чтобы эта область была такой же тонкой, если необходимо достичь высоких уровней усиления по току. Часто это может быть только около 1 мкм в поперечнике.

Эмиттер — это место, где носители тока «испускаются», а коллектор — это место, где они «собираются».

Структура точечного транзистора

В самых ранних транзисторах использовалась структура точечного контакта. Эту структуру транзистора было легко изготовить с использованием очень низкотехнологичного оборудования, но она не была надежной.

Как видно из названия, в этой структуре биполярного транзистора используются провода для точечного контакта с полупроводниковым материалом.

Diagram of the structure of a point contact bipolar transistor showing the base semiconductor and the two wires forming point contacts onto the semiconductor. Конструкция точечного транзистора

Конструкция соединения легированная

Другой транзисторной структурой, которая широко использовалась в первые дни транзисторов, был переход из сплава.

Diagram of the structure of an alloyed junction bipolar transistor structure showing the base semiconductor and the two p+ areas forming the emitter and collector. Структура транзистора с легированным переходом

В конструкции транзистора с переходом из сплава использовался кристалл германия в качестве основы для всей структуры, а также в качестве базового соединения. Затем валики из сплава эмиттера и коллектора были сплавлены с противоположных сторон. За годы производства было разработано несколько типов улучшенных транзисторов с переходом из сплава.

Транзисторы с переходом из сплава стали устаревшими в начале 1960-х годов с появлением планарного транзистора, который можно было легко производить в серийном производстве, в то время как транзисторы с переходом из сплава приходилось изготавливать индивидуально.

Диффузионные транзисторы

В отличие от предыдущих транзисторных структур, в которых контакты были добавлены к полупроводниковому кристаллу извне, диффузионный транзистор позволял создавать различные области транзистора путем диффузии примесей в полупроводниковый кристалл, чтобы получить области с требуемыми характеристиками, p-типа, n -тип, p +, n + и т. д.

В самых первых диффузионных транзисторах использовалась структура транзисторов с диффузной базой. У этих транзисторов все еще были эмиттеры из сплава, и они даже иногда имели коллекторы из сплава, как более ранние транзисторы с переходом из сплава.В подложку диффундировала только основа, хотя иногда подложка образовывала коллектор.

Планарная структура транзистора

Планарная транзисторная структура была разработана в Fairchild Semiconductor в 1959 году и представляет собой крупный технологический прорыв. Это не только упростило производство биполярных транзисторов, но и заложило основу для будущей технологии интегральных схем.

Планарная транзисторная структура также включает пассивирующий слой на внешних областях кристалла.Это защищает края перехода от загрязнения и позволяет использовать гораздо менее дорогую пластиковую упаковку без риска ухудшения характеристик транзистора в результате загрязнения, попадающего в кристаллическую решетку, особенно в областях вокруг переходов.

Удивительно, но первые планарные транзисторы имели более низкие уровни производительности по сравнению с их соединением из сплава, но транзисторы с диффузной планарной структурой можно было производить массово, и в результате они стоили намного дешевле, что делало их очень привлекательным вариантом.Однако первые трудности были преодолены, и планарные транзисторы предлагают очень высокий уровень производительности.

Simplified diagram of the structure of a planar junction bipolar transistor structure showing the base semiconductor and the areas forming the emitter, base and collector. Упрощенная структура планарного транзистора

Стоит отметить, что коллекторная площадь имеет больший объем, чем эмиттер. Хотя во многих отношениях два терминала можно поменять местами, коллектор — это место, где рассеивается наибольшая мощность, и поэтому он сделан с большим объемом.

Также видно, что в этом транзисторе протекание тока происходит в вертикальной плоскости на схеме.

Есть и другие различия в уровнях легирования, используемых в структуре транзистора. Легирование эмиттера обычно выше, чем легирование базы, что обеспечивает высокую эффективность инжекции. Также легирование коллектора ниже, чем легирование базы.

Общий подход к формированию эмиттерного и базового переходов заключается в использовании процесса, известного как метод двойной диффузии. Используя технику двойной диффузии, сначала выполняется диффузия базовой площади, чтобы обеспечить большую базовую площадь.Затем меньшая площадь эмиттера рассеивается с более высоким уровнем примеси, чтобы обеспечить более мелкий эмиттер с более сильным легированием.

Боковая планарная структура транзистора

В некоторых случаях может быть выгодно иметь боковую транзисторную структуру.

Diagram of the structure of a lateral planar junction bipolar transistor structure noting that current flow is in the horizontal plane on the diagram. Боковая планарная структура транзистора

Из этой диаграммы видно, что ток протекает в горизонтальной плоскости, а не в вертикальной плоскости. Этот формат имеет преимущества в некоторых приложениях, но требует большего количества процессов распространения и, следовательно, является более сложным и, следовательно, более дорогим.Таким образом, он используется только тогда, когда этого требуют характеристики и характеристики.

Легирование и профили легирования транзисторов

Какой бы метод конструкции ни использовался для транзистора, базовый слой остается очень тонким. Обычно он составляет менее 1 мкм для высокого коэффициента усиления по току.

Для большинства транзисторов с биполярным переходом ток протекает в вертикальной плоскости, хотя при необходимости возможна боковая структура.

Что касается уровней легирования в структуре транзистора, легирование эмиттера обычно является самым высоким.Это обеспечивает максимальную эффективность впрыска. Далее идет базовый допинг. Наконец, коллектор получает самый низкий уровень легирования, так что функция нейтральной базы является слабой функцией напряжения базы коллектора.

Типичный профиль легирования для структуры транзистора показывает различные области транзистора с их уровнями легирования.

Typical doping profile for standard silicon transistor Типичный профиль легирования для стандартного кремниевого транзистора (NPN)

Как видно из структурной схемы транзистора, легирование эмиттера намного выше, чем у основания коллекторных областей.

Хотя транзисторы могут работать с перевернутыми эмиттером и коллектором, производительность будет ниже. В результате неправильного уровня допинга. Кроме того, коллектор стал больше и может легче отводить тепло, так как это область структуры транзистора, где рассеивается большая часть тепла.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

.Обозначения схем биполярного транзистора

»Примечания по электронике

Обозначения схем для различных форм биполярных транзисторов: NPN, PNP, Дарлингтона, светочувствительный транзистор или фототранзистор. .


Электрические цепи, схемы и символы Включает:
Обзор схемных символов Резисторы Конденсаторы Индукторы, катушки, дроссели и трансформаторы Диоды Биполярные транзисторы Полевые транзисторы Провода, переключатели и соединители Блоки аналоговых и функциональных схем Логика


Для биполярных транзисторов не так много обозначений схем.Конечно, существуют разные символы схем для обозначения транзисторов NPN и PNP.

В дополнение к этому, некоторые символы схем транзисторов имеют окружность, а другие — нет. Те, у которых нет, широко используются в схемах, детализирующих внутреннюю схему ИС, поскольку легче включить несколько эмиттеров и другие варианты базового транзистора, если круг не включен.

Прочие обозначения схем биполярных транзисторов включают символы фототранзисторов, транзисторов Дарлингтона и т. Д.


Обозначения схем биполярных транзисторов
Описание транзистора Обозначение цепи
Транзистор биполярный NPN NPN transistor circuit symbol
Транзистор биполярный PNP PNP transistor circuit symbol
Транзистор биполярный NPN
с маркированными электродами.
NPN transistor circuit symbol
Транзистор биполярный NPN
без внешней окружности
NPN transistor circuit symbol
Фототранзистор биполярный NPN NPN phototransistor circuit symbol
Биполярный фототранзистор NPN
без подключения к базе
NPN phototransistor circuit symbol - no base connection
Фототранзистор биполярный NPN Bipolar transistor darlington circuit symbol
NPN фотодарлингтон NPN photodarlington circuit symbol
Обозначение схемы транзисторной оптопары Optocoupler circuit symbol
Предыдущая страница Следующая страница

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *