Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы Биполярный транзистор – это система с двумя близко расположенными p-n переходами с тремя внешними выводами (или электродами) : эмиттер (эммитирует или выбрасывает носители), коллектор (собирает эти носители), база (основание транзистора). Условная плоскостная структура биполярного транзистора приведена на рисунке: Источник Еэ имеет напряжение порядка 1 В (допустимое прямое напряжение смещения), при этом возниает большой прямой ток через эмиттерный переход Iэ. Источник Ек имеет напряжение порядка 10-20 вольт. В цепь коллектора, как правило, включают сопротивление нагрузки Rк. Для того, чтобы сместить коллекторный переход в обратном направлении должно выполняться условие: Ек > Iк·Rк ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНЗИСТОТОРА Необходимо, чтобы проводимость эмиттера была значительно выше, чем базы (при этом концентрация основных носителей в эмиттере выше, чем в базе). Поэтому ток эмиттерного перехода будет иметь только одну эмиттерную составляющую, а базовой, очень маленькой, можно пренебречь. Поэтому учитывается только одна – эмиттерная составляющая (для p-n-p транзистора – дырочная, для n-p-n – электронная) тока эмиттера Iэ. Под действием прямого напряжения на эмиттерном переходе, основные носители, движущиеся к контакту, рекомбинируют в приконтактной области лишь частично, а основная часть дырок (для p-n-p транзистора) и электронов (для n-p-n транзистора) внедряется из эмиттра в базу, где они будут неосновными носителями. Это явление – инжекция неосновных носителей В базе возникает градиент концентраций носителей, вызывающий диффузию электронов (для n-p-n транзистора), дырок (для p-n-p транзистора) в направлении коллекторного перехода. Кроме того, на эти носители - электроны (для n-p-n транзистора), дырки (для p-n-p транзистора), движущиеся в базе, влияет электрическое поле коллектора, ускоряющее их движение. Инжектированные в базу носители составляют эмиттерный ток Iэ, а рекомбинирующие с основными носителями базы, внедренные из эмиттера носители составляют ток базы – Iб. Остальная часть носителей дошедших до коллектора определяют ток коллектора – Iк. Отсюда уравнение всех токов в транзисторе: Iэ = Iб + Iк Чтобы время пробега неосновных носителей через базу было значительно меньше времени их жизни (т.е. чтобы большая их часть достигала коллектора) необходимо разместить эмиттерный и коллекторный переходы очень близко друг от друга. Толщина базы составляет, обычно, не более нескольких сотых долей миллиметра. По типу проводимости транзисторы бывают прямой проводимости или p-n-p и обратной проводимости или n-p-n. На принципиальных электрических схемах их обозначают следующим образом: Стрелка всегда! ставится у эмиттера и указывает направление прямого тока (или тока основных носителей) через переход. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ Схема включения транзистора будет называться с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) или общим коллектором (ОК) в зависимости от того какой электрод транзистора будет общим, обычно заземленным, для входной и выходной цепей транзистора и относительно которого измеряется входное и выходное напряжение. Схема с ОБ Входным током будет являться ток эмиттера. Принципиальная рабочая схема имеет вид: Для выявления основных свойств, у транзисторов определяются следующие характеристики: входное сопротивление: , коэффициент передачи по току: коэффициент передачи по напряжению: - большая величина. Т.о. в транзисторе с ОБ имеет место усиление лишь по напряжению. Схема с ОЭ Входным током будет являться ток базы. Принципиальная рабочая схема имеет вид: Входное сопротивление: , коэффициент передачи по току: коэффициент передачи по напряжению: - большая величина. Т.о. в транзисторе с ОЭ имеет место усиление и по напряжению и по току. Схема с ОК Входным током будет являться ток базы. В реальном транзисторе с ОК, коллектор заземлен только по переменной составляющей через сопротивление емкости. Принципиальная рабочая схема имеет вид: Входное сопротивление: , коэффициент передачи по току: коэффициент передачи по напряжению: - малая величина. Т.о. в транзисторе с ОК имеет место усиление лишь по току. Если сравнить схемы включения транзисторов по величине входного сопротивления, то они соотносятся следующим образом: RвхОК > RвхОЭ > RвхОБ На практике, наиболее распространены схемы включения транзисторов с общим эмиттером (ОЭ) – 90 – 95% от общего числа, схемы с общим коллектором составляют 5 – 7% от общего числа, схема с общей базой применяется редко, как правило, в сочетании со схемой транзистора с общим коллектором. РЕЖИМЫ РАБОТЫ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ • Активный режим — используется при проявлении усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямо смещается (включается) эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным. • Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется. • Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей. • Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответствует размыканию транзисторного ключа. • Динамическим называется режим, при котором изменение входных электрических величин вызывает изменение всех остальных величин усилительного элемента (биполярного транзистора). Для реализации динамического режима необходимо в цепь выходного тока включить сопротивление R≠0, тогда при изменении Uвх и Iвх будет изменятся Iвых, Uвых. • Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи. ОСНОВНЫЕ СЕМЕЙСТВА ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРОВ Характеристики транзистора определяются соотношениями между токами, проходящими в цепях транзистора и напряжениями на его электродах. У транзисторов связи между токами и напряжениями являются сугубо нелинейными, и выразить их, используя линейные уравнения невозможно. Поэтому указанные связи представляются в виде графиков, которые называются статическими характеристиками транзисторов. За независимые переменные принимаются напряжения на электродах, а функциями являются входной и выходной токи. Одна из независимых переменных, при построении характеристик принимается за константу. 1. Выходные характеристики: Iвх = f(Uвх), при Uвых = const 2. Выходные характеристики: Iвых = f(Uвых), при Iвх = const Для схемы с общей базой 1. Входная характеристика: Iэ = f(Uэб), при Uкб = const При Uкб = 0 коллекторное поле не влияет на входной ток Iэ. При изменении Uэб от нуля до максимального значения Uэбmax, ток эмиттера, являющийся входным, будет изменятся как прямой ток через переход, следовательно, вид данной характеристики – прямая ветвь ВАХ для p-n перехода. При Uкб ≠ 0, ускоряющее поле коллектора будет мало влиять на движение инжектированных из эмиттера носителей и поэтому ток эмиттера возрастает незначительно. Вид входной ВАХ транзистора с ОБ : 1. Выходная характеристика: Iк = f(Uкб), при Iэ = const Если ток эмиттера равен нулю Iэ = 0, транзистор должен быть закрыт и выходной ток – ток коллектора Iк должен отсутствовать. В реальной схеме включения, когда Uэб = 0 , Uкб ≠ 0, через коллекторный переход, к которому приложено обратное напряжение Uкб, протекает ток неосновных носителей (составляет 1…..10 мкА). Этот ток называется током закрытого транзистора или обратным током коллекторного перехода – Iк0. Данный ток всегда направлен из n-области транзистора в p- область, независимо от типа проводимости. При наличии тока в цепи эмиттера, т.е. Iэ ≠ 0, доля коллекторного тока за счет за счет инжектированных и дошедших до коллектора носителей возрастает. Ток коллектора определяется: Iк = α·Iэ +Iк0. Т.о. чем больше ток эмиттера – входной ток, тем больше выходной ток – ток коллектора. Вид выходной ВАХ транзистора с ОБ : Для схемы с общим эмиттером 1. Входная характеристика: Iб = f(Uбэ), при Uкэ = const В данной схеме включения входной ток – ток базы, является током рекомбинации в базе. При Uкэ = 0 на коллекторном переходе действует внутреннее поле φк, при этом запирающий слой коллекторного перехода распространен на некоторую глубину в сторону базы. Рекомбинация происходит в активной области базы, не занятой запирающим слоем. При увеличении Uкэ запирающий слой расширяется на некоторую глубину в сторону базы, при этом активная область базы, где может происходить рекомбинация, сужается. Этот процесс называется модуляцией (изменением) ширины базы. Поэтому уменьшается ток базы, что показано на входной характеристике транзисторной схемы с ОБ. Вид входной ВАХ транзистора с ОЭ : 1. Выходная характеристика: Iк = f(Uкэ), при Iб = const При входном токе равном нулю (Iб = 0) выходным током является Iк0 – ток закрытого транзистора. Отличием от схемы включения с общей базой является наличие крутого участка. Наличие этого крутого участка, объясняется тем, что при малых значениях напряжения Uкэ в начальной части (графика) характеристики напряжение Uбэ превышает напряжение Uкэ и коллекторный переход оказывается включенным (смещенным) в прямом направлении и через него течет прямой ток навстречу инжектированных из эмиттера носителей. Т.о. коллекторное напряжение Uкэ оказывается частично приложенным к эмиттерному переходу через сопротивление коллектора Rк, коллекторного перехода и базы. Вид выходной ВАХ транзистора с ОЭ : Выходной ток – ток коллектора (Iк) будет определяться следующим образом: Iк = β·Iб +Iк0. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ИЛИ Т-ОБРАЗНЫЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ При расчете электронных схем, которые содержат транзисторы, пользуются основными законами и методами электротехники (законы Ома, Кирхгофа). Для этого транзисторы требуется заменить их эквивалентными схемами, составляя которые, необходимо руководствоваться двумя основными правилами: 1. Эквивалентная схема должна содержать только те элементы, которыми оперируют при расчете электрических цепей (R, C, L, генераторы тока и напряжения). 2. Эквивалентная схема должна учитывать и отображать основные физические свойства и качественные характеристики транзисторов. Получить абсолютно точно отображающую процессы в транзисторе схему невозможно из-за того, что транзистор – нелинейный элемент, а для упрощения расчетов вынуждены использовать линейную модель. Но с определенной степенью точности можно оперировать предложенными эквивалентными схемами. Эквивалентная схема замещения, физическая схема замещения или Т-образная схема замещения транзистора с общей базой где: rэ – сопротивление открытого эмиттерного перехода; rб – объемное сопротивление в области базы; rк- обратное сопротивление закрытого коллекторного перехода; Ск – барьерная емкость закрытого коллекторного перехода; α·Iэ – зависимый генератор тока, где α- коэффициент передачи по току в транзисторе с ОБ. Эквивалентная схема замещения, физическая схема замещения или Т-образная схема замещения транзистора с общим эмиттером где: rэ – сопротивление открытого эмиттерного перехода; rб – объемное сопротивление в области базы; rк- обратное сопротивление закрытого коллекторного перехода; Ск – барьерная емкость закрытого коллекторного перехода; β·Iб – зависимый генератор тока, где β- коэффициент передачи по току в транзисторе с ОЭ. ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ Для описания свойств транзисторов применяются параметры – величины, дающие связь между малыми изменениями токов и напряжений в устройстве. Из-за того, что транзисторы могут использоваться в различных схемах включения – с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором, при введении параметров целесообразно рассматривать транзистор как четырехполюсник, на входе которого действует напряжение U1, протекает ток I1, а на выходе – U2 и I2. Виды параметров: 1. Z-параметры (определяют сопротивление); 2. Y-параметры (определяют проводимость); 3. h-параметры (определяют и сопротивление и проводимость и др. параметры). Рассмотрим h-параметры. Для этого необходимо составить уравнение четырехполюсника: U1 = h11 · I1 + h12 · U2 I2 = h21 · I1 + h22 · U2 Физический смысл h-параметров Для определения h-параметров необходимо обеспечение режимов холостого хода в входной цепи и короткого замыкания во выходной. 1. Короткое замыкание на выходе, значит U2 = 0 2. Холостой ход на выходе, значит I1 = 0 - коэффициент обратной связи по напряжению; - проводимость Связь между параметрами Связь между h-параметрами и характеристиками транзистора можно свести в таблицу: С параметрами С физическими схемами замещения - коэффициент передачи по току : h21ОБ , h21ОЭ , h21ОК KiОБ = α KiОЭ = β KiОК = γ - входное сопротивление: h11ОБ , h11ОЭ , h11ОК RвхОБ = rэ + rб·(1 – α) RвхОЭ = rб + rэ·(1 + β)