регистрация /  вход

Биполярные транзисторы (стр. 1 из 6)

Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Биполярным транзистором называют полу проводниковый прибор имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной – сплавление, диффузия и т.д. это в значительной мере определяет характеристики прибора.

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n транзисторы и p-n-p транзисторы. Средняя часть рассматриваемых структур рассматриваемых структур называется базой, одна крайняя область называется коллектором другая эмиттером в несимметричных структурах.

Электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частот­ного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. В зависимос­ти от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различа­ют следущие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в пря­мом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба пере­хода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки — в обратном. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направле­нии, а эмиттерный — в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным — это режим пробоя.

Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимо­сти от приложенных к его переходам напряжений. В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению Е,= t/бэ, через него протекает ток базы 1ц. Протекание тока базы приводит к ин-жекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется как i^=Bi„ где В — коэффициент передачи тока базы. Прямое на­пряжение С/бэ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса — Молла

i к = Ik б.о ( eU бз/ j т -1), (4.1)

где I кб.о — обратный ток коллекторного перехода при его обратном смещении, (jт -— тепловой потенциал.

Из уравнения (4.1) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и выполнении условия 1/бэ><рг, ток коллектора растет с ростом напряжения 1/вэ по экспоненциальному закону:

i к = Ik б.о eU бз/ j т , (4.2)

где eU бз/ j т — контактная разность потенциалов.

При изменении полярности напряжения на эмиттерном переходе транзистор переходит в режим отсечки и ток коллектора равен обратному току коллекторно­го перехода Л.обр^кв.о. Из уравнения (4.1) легко найти напряжение на эмиттерном переходе

Uбэ = j т ln ( Ik / I кб.о +1), (4.3)

Поскольку фт =25мВ при Г=ЗООК, то уже при напряжении [/аэ^ЮОмВ можно считать, что (/в^= <Pтln(^к/^кб.o) Выходные вольт-амперные характеристики транзи­стора приведены на рис. 4.2 о. Линейная область на этих характеристиках отмече­на штриховой линией. Транзистор будет находиться в линейной области, если напряжение на коллекторе достаточно большое и выходит за границу штриховой линии.

Отметим некоторые особенности характеристик транзистора в линейной об­ласти. Во-первых, приращение тока коллектора пропорционально изменению тока базы. Во-вторых, ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллек­торе. В-треть­их, напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит от тока базы.

Из сказанного следует, что в линейном режиме транзистор для малых приращений тока базы можно заменить источником тока коллектора, уп­равляемого током базы. При этом, если пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким замыканием. В ре­зультате для линейного режима можно использовать простейшую модель транзи­стора, приведенную на рис. 4.3 а.

Пользуясь этой моделью, можно легко рассчитать коэффициент усиления кас­када, изображенного на рис. 4.3 б. Заменяя транзистор его моделью, получим эквивалентную схему, изображенную на рис. 4.3 в. Для этой формулы находим ik = Uc /Rб ; ik =Bi б Uk = ik Rn = Biб Rn откуда

UcBR » Un = Uc BRn / Rб или Kn = Rn / Rб

Если необходимо сделать расчет более точным, то модель транзистора можно усложнить введением других параметров, которые не учитывались при составле­нии схемы. Схеме замещения соответствуют уравне­ния, которые называются уравнениями транзистора в Я-параметрах

U б j = H 11 i б + H 12 Uk j

Ik = H 21 i б + H 22 Uk j .

Физический смысл параметров, приведенных в системе уравнений (4.4), мож­но легко установить, если воспользоваться режимами холостого хода на входе схемы и короткого замыкания на ее выходе.

При холостом ходе на входе г'б=0, откуда находим два параметра

H12 = U б j / Uk j иH22 = ik / Uk j (4.5)

Аналогично при коротком замы­кании на выходе (и^=0) находим два других параметра

H11 = U б j / i б и H 21 = ik / i б (4.6)

Параметры холостого хода в соответствии с (4.5) обозначаются как: Я^ — обратная передача по направлению и Нц — выходная проводимость. Параметры короткого замыкания определяются из (4.6) и имеют значения: Яц — входное сопротивление, Н^ — прямая передача по току.

Так, при Яц=Я)2=Ям=0

Отметим, что в справочниках по транзисторам обычно приводятся не все четыре Я-параметра, а только некоторые из них. Обязательно приводится пара­метр Нц=В — коэффициент передачи по току, а остальные, если они не приводят­ся, иногда можно рассчитать по уравнениям (4.5) и (4.6).

Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличи­вать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет' отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть в схеме рис. 4.3 б, когда в коллекторной цепи включе­но сопротивление нагрузки R^. В этом случае увеличение тока базы ^ приведет к увеличению тока коллектора г„- В результате увеличится падение напряжения на нагрузке R» и уменьшится напряжение на коллекторе м„э. Условием насыщения транзистра является равенство нулю напряжения

Uкб = U к j - U б j =0 . (4.7)

При глубоком насыщении транзистора выполняется условие и^>0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме. Выполнение условия и^=0 обычно называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения. Глубину насыщения транзистора характе­ризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы I& нас транзистора в насыщенном режиме к току базы /g^ в граничном режиме

q = I б пос / I б гр (4-8)

При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количе­ство неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора.

Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером до­статочно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым клю­чом, на котором падает небольшое напряжение. Схема замещения транзистора в режиме насыщения приведена на рис. 4.5 а. В соответствии с этой схемой замеще­ния напряжение на насыщенном ключе определяется по формуле

Uk j . пос = Ik R пос + En , (4.9)

где Rпос . сопротивление насыщенного ключа, En =0,5... 0,1 В. В справочных данных на транзисторы обычно приводится значение С/„энас при заданном токе коллектора.

Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсеч­ки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия и^О. В соответ­ствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление Ry и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки /ут^./кбо- На вольт-амперных характеристиках транзисто­ра, приведенных на рис. 4.2 а, режиму отсечки соответствует горизонтальная ли­ния при i'8=0.

В справочных данных на транзисторы для режима отсечки обычно приводит­ся обратный ток коллектор — эмиттер /„л при заданном напряжении на коллек­торе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером. Таким образом, два ключевых режима транзистора — режимы насыщения и от­сечки — позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ S.

Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электрон­ных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор поперемен­но переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения такого ключа, которая обычно характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации.

Последним режимом работы транзистора является инверсный режим, при котором коллекторный переход смещается в прямом направлении, а эмиттерный в обратном.

По сути дела, в этом режиме коллектор и эмиттер меняются местами и роль коллектора теперь выполняет эмиттер. Если транзистор несимметричный, то обычно в инверсном режиме падает усиление транзистора (вщп,<Дл,,в)-