додати матеріал


Біполярні транзистори 2

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

ТЕМА 4. Біполярний транзистор
4.1 Пристрій і принцип дії
Біполярний транзистор - це напівпровідниковий прилад, що складається з трьох областей з чергуються типами електропровідності і придатний для посилення потужності.
Випускаються в даний час біполярні транзистори можна класифікувати за такими ознаками:
Ø за матеріалом: германієві і кремнієві;
Ø за видом провідності областей: типу р-n-р і npn;
Ø за потужністю: малої (Рмах £ 0,3 Вт), середньої (Рмах £ 1,5 Вт) і великої потужності (Рмах> 1,5 Вт);
Ø за частотою: низькочастотні, середньочастотні, високочастотні і НВЧ.
У біполярних транзисторах струм визначається рухом носіїв заряду двох типів: електронів і дірок (або основними і неосновними). Звідси їх назва - біполярні.
В даний час виготовляються і застосовуються виключно транзистори з площинними р-n-переходами.
Пристрій площинного біполярного транзистора показано схематично на рис. 4.1.

Він являє собою платівку германію або кремнію, в якій створені три області з різною електропровідністю. У транзистора типу n-р-n середня область має дірковий, а крайні області - електронну електропровідність.
Транзистори типу р-n-р мають середню область з електронною, а крайні області з діркової електропровідністю.
Середня область називається базою транзистора, одна крайня область - емітером, інша - колектором. Таким чином в транзисторі є два р-n-переходу: емітерний - між емітером і базою і колекторний - між базою і колектором. Площа емітерного переходу менше площі колекторного переходу.
Емітером називається область транзистора призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази. Базою є область, в яку инжектируются емітером неосновні для цієї області носії заряду.
Концентрація основних носіїв заряду у емітер у багато разів більше концентрації основних носіїв заряду в базі, а їх концентрація в колекторі дещо менше концентрації у емітер. Тому провідність емітера на кілька порядків вище провідності бази, а провідність колектора дещо менше провідності емітера.
Від бази, емітера і колектора зроблені висновки. У залежності від того, який з висновків є загальним для вхідний і вихідний ланцюгів, розрізняють три схеми включення транзистора: із загальною базою (ПРО), загальним емітером (ОЕ), загальним колектором (ОК).
Вхідна, або керуюча, ланцюг служить для управління роботою транзистора. У вихідний, чи керованої, ланцюги виходять посилені коливання. Джерело підсилюються коливань включається у вхідні ланцюг, а у вихідну включається навантаження.
Розглянемо принцип дії транзистора на прикладі транзистора р-n-р-типу, включеного за схемою зі спільною базою (рис. 4.2).

Малюнок 4.2 - Принцип дії біполярного транзистора (р-n-р-типу)
Зовнішні напруги двох джерел живлення ЕЕ і Ек підключають до транзистора таким чином, щоб забезпечувалося зсув емітерного переходу П1 в прямому напрямку (пряма напруга), а колекторного переходу П2 - у зворотному напрямку (зворотна напруга).
Якщо до колекторному переході докладено зворотна напруга, а ланцюг емітера розімкнена, то в ланцюзі колектора протікає невеличкий зворотний струм Ікс (одиниці мікроампер). Цей струм виникає під дією зворотної напруги і створюється спрямованим переміщенням неосновних носіїв заряду дірок бази і електронів колектора через колекторний перехід. Зворотний струм по колу: + Ек, база-колектор,-Ек. Величина зворотного струму колектора не залежить від напруги на колекторі, але залежить від температури напівпровідника.
При включенні в ланцюг емітера постійної напруги ЕЕ в прямому напрямку потенційний бар'єр емітерного переходу знижується. Починається інжектірованіе (впорскування) дірок в базу.
Зовнішнє напруга, прикладена до транзистора, виявляється прикладеним в основному до переходів П1 і П2, тому що вони мають великий опір в порівнянні з опором базової, емітерною і колекторної областей. Тому інжектованих в базу дірки переміщуються в ній за допомогою дифузії. При цьому дірки рекомбінують з електронами бази. Оскільки концентрація носіїв у базі значно менше, ніж у емітер, то рекомбінують дуже небагато дірки. При малій товщині бази майже всі дірки будуть доходити до колекторного переходу П2. На місце рекомбінована електронів в базу надходять електрони від джерела живлення Ек. Дірки, рекомбінувати з електронами в базі, створюють струм бази IБ.
Під дією зворотної напруги Ек потенційний бар'єр колекторного переходу підвищується, товщина переходу П2 збільшується. Але потенційний бар'єр колекторного переходу не створює перешкоди для проходження через нього дірок. Що увійшли в область колекторного переходу дірки потрапляють в сильне ускоряющее поле, створене на переході колекторним напругою, і екстрагуються (втягуються) колектором, створюючи колекторний струм Ік. Колекторний струм по колу: + Ек, база-колектор,-Ек.
Таким чином, в транзисторі протікає три струму: струм емітера, колектора і бази.
У проводі, що є висновком бази, струми емітера і колектора спрямовані зустрічно. Отже, струм бази дорівнює різниці струмів емітера і колектора: IБ = IЕ - ІК.
Фізичні процеси в транзисторі типу n-р-n протікають аналогічно процесам в транзисторі типу р-n-р.
Повний струм емітера IЕ визначається кількістю інжектованих емітером основних носіїв заряду. Основна частина цих носіїв заряду досягаючи колектора, створює колекторний струм Ік. Незначна частина інжектованих в базу носіїв заряду рекомбінують в базі, створюючи струм бази IБ. Отже, струм емітера розділяться на струми бази і колектора, тобто IЕ = IБ + Ік.
Струм емітера є вхідним струмом, струм колектора - вихідним. Вихідний струм складає частину вхідного, тобто
(4.1)
де a-коефіцієнт передачі струму для схеми ПРО;

Оскільки вихідний струм менше вхідного, то коефіцієнт a <1. Він показує, яка частина інжектованих в базу носіїв заряду досягає колектора. Зазвичай величина a складає 0,95 ¸ 0,995.
У схемі з загальним емітером вихідним струмом є струм колектора, а вхідним - струм бази. Коефіцієнт посилення по струму для схеми ОЕ:
(4.2)
але
тоді
(4.3)
Отже, коефіцієнт посилення по струму для схеми ОЕ становить десятки одиниць.
Вихідний струм транзистора залежить від вхідного струму. Тому транзистор-прилад, керований струмом.
Зміни струму емітера, викликані зміною напруги емітерного переходу, повністю передаються у колекторний ланцюг, викликаючи зміну струму колектора. А тому напруга джерела колекторного живлення Ек значно більше, ніж емітерного Ее, то і потужність, споживана в ланцюзі колектора Рк, буде значно більше потужності в ланцюзі емітера Ре. Таким чином, забезпечується можливість управління великою потужністю в колекторному ланцюзі транзистора малою потужністю, що витрачається в емітерний ланцюга, тобто має місце посилення потужності.
4.2 Схеми включення біполярних транзисторів
В електричне коло транзистор включають таким чином, що один з його висновків (електрод) є вхідним, другий - вихідним, а третій - спільним для вхідний і вихідний ланцюгів. У залежності від того, який електрод є загальним, розрізняють три схеми включення транзисторів: ПРО, ОЕ і ОК. Ці схеми для транзистора типу р-n-р наведено на рис. 4.3. Для транзистора n-р-n в схемах включення змінюються лише полярності напруг і напрям струмів. При будь-якій схемі включення транзистора (в активному режимі) полярність включення джерел живлення повинна бути обрана так, щоб емітерний перехід був включений в прямому напрямку, а колекторний - у зворотному.

Малюнок 4.3 - Схеми включення біполярних транзисторів: а) ПРО; б) ОЕ; в) ОК
4.3 Статичні характеристики біполярних транзисторів
Статичним режимом роботи транзистора називається режим при відсутності навантаження у вихідному ланцюзі.
Статичними характеристиками транзисторів називають графічно виражені залежності напруги і струму вхідного ланцюга (вхідні ВАХ) і вихідний ланцюга (вихідні ВАХ). Вид характеристик залежить від способу включення транзистора.
4.3.1 Характеристики транзистора, включеного за схемою ПРО
Вхідний характеристикою є залежність:
IЕ = f (UЕБ) при Uкб = const (рис. 4.4, а).
Вихідний характеристикою є залежність:
ІК = f (Uкб) при IЕ = const (рис. 4.4, б).

а) б)
Малюнок 4.4 - Статичні характеристики біполярного транзистора, включеного за схемою ПРО
Вихідні ВАХ мають три характерні області: 1 - сильна залежність Ік від Uкб (нелінійна початкова область), 2 - слабка залежність Ік від Uкб (лінійна область), 3 - пробою колекторного переходу.
Особливістю характеристик в області 2 є їх невеликий підйом при збільшенні напруги Uкб.
4.3.2 Характеристики транзистора, включеного за схемою ОЕ:
Вхідний характеристикою є залежність:
IБ = f (UБЕ) при UКЕ = const (рис. 4.5, б).
Вихідний характеристикою є залежність:
ІК = f (UКЕ) при IБ = const (рис. 4.5, а).

а) б)
Малюнок 4.5 - Статичні характеристики біполярного транзистора, включеного за схемою ОЕ
Транзистор в схемі ОЕ дає посилення по струму. Коефіцієнт посилення по струму в схемі ОЕ: Якщо коефіцієнт a для транзисторів a = 0,9 ¸ 0,99, то коефіцієнт b = 9 ¸ 99. Це є найважливішою перевагою включення транзистора за схемою ОЕ, що, зокрема, визначається більш широке практичне застосування цієї схеми включення в порівнянні зі схемою ПРО.
З принципу дії транзистора відомо, що через висновок бази протікають в зустрічному напрямку дві складові струму (рис. 4.6): зворотний струм колекторного переходу IКО і частина струму емітера (1 - a) IЕ. У зв'язку з цим нульове значення струму бази (ІБ = 0) визначається рівністю зазначених складових струмів, тобто (1 - a) IЕ = IКО. Нульового вхідному струмі відповідають струм емітера IЕ = IКО / (1-a) = (1 + b) IКО і струм колектора . Іншими словами, при нульовому струмі бази (ІБ = 0) через транзистор у схемі ОЕ протікає струм, званий початковим або наскрізним струмом IКО (Е) і рівним (1 + b) IКО.

Малюнок 4.6 - Схема включення транзистора із загальним емітером (схема ОЕ)
4.4 Основні параметри
Для аналізу і розрахунку ланцюгів з біполярними транзисторами використовують так звані h - параметри транзистора, включеного за схемою ОЕ.
Електричне стан транзистора, включеного за схемою ОЕ, характеризується величинами IБ, IБЕ, ІК, UКЕ.
У систему h - параметрів входять наступні величини:
1. Вхідний опір
h11 = DU1/DI1 при U2 = const. (4.4)
являє собою опір транзистора змінному вхідному струмі при якому замикання на виході, тобто при відсутності вихідного змінної напруги.
2. Коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі:
h12 = DU1/DU2 при I1 = const. (4.5)
показує, яка частка вхідної змінної напруги передається на вхід транзистора внаслідок зворотного зв'язку в ньому.
3. Коефіцієнт зусилля по струму (коефіцієнт передачі струму):
h21 = DI2/DI1 при U2 = const. (4.6)
показує посилення змінного струму транзистором в режимі роботи без навантаження.
4. Вихідна провідність:
h22 = DI2/DU2 при I1 = const. (4.7)
являє собою провідність для змінного струму між вихідними затискачами транзистора.
Вихідний опір Rвих = 1/h22.
Для схеми із загальним емітером справедливі наступні рівняння:
(4.8)
де

Для запобігання перегріву колекторного переходу необхідно, щоб потужність, що виділяється в ньому при проходженні колекторного струму, не перевищувала деякої максимальної величини:
(4.9)
Крім того, існують обмеження щодо колекторному напрузі:

і колекторно току:

4.5 Режими роботи біполярних транзисторів
Транзистор може працювати в трьох режимах залежно від напруги на його переходах. При роботі в активному режимі на емітерний перехід напруга пряме, а на колекторному - зворотне.
Режим відсічення, або замикання, досягається подачею зворотної напруги на обидва переходу (обидва р-n-переходу закриті).
Якщо ж на обох переходах напруга пряме (обидва р-n-переходу відкриті), то транзистор працює в режимі насичення.
У режимі відсічення і режим насичення управління транзистором майже відсутня. В активному режимі таке управління здійснюється найбільш ефективно, причому транзистор може виконувати функції активного елемента електричної схеми (посилення, генерування і т.п.).
4.6 Область застосування
Біполярні транзистори є напівпровідниковими приладами універсального призначення і широко застосовуються в різних підсилювачах, генераторах, в імпульсних і ключових пристроях.
4.7 Найпростіший підсилювальний каскад на біполярному транзисторі
Найбільше застосування знаходить схема включення транзистора по схемі з загальним емітером (рис. 4.7)
Основними елементами схеми є джерело живлення Ек, керований елемент - транзісторVT і резистор Rк. Ці елементи утворюють головну (вихідну) ланцюг підсилювального каскаду, в якій за рахунок протікання керованого струму створюється посилене змінну напругу на виході схеми.
Інші елементи виконують допоміжну роль. Конденсатор Ср є розділовим. При відсутності цього конденсатора в ланцюзі джерела вхідного сигналу створювався б постійний струм від джерела живлення Ек.

Малюнок 4.7 - Схема найпростішого підсилювального каскаду на біполярному транзисторі за схемою з загальним емітером
Резистор RБ, включений в ланцюг бази, забезпечує роботу транзистора в режимі спокою, тобто за відсутності вхідного сигналу. Режим спокою забезпечується струмом бази спокою IБ »Ек / RБ.
За допомогою резистора Rк створюється вихідна напруга, тобто Rк виконує функцію створення змінюється напруги у вихідному ланцюзі за рахунок протікання в ній струму, керованого по ланцюгу бази.
Для колекторному ланцюзі підсилювального каскаду можна записати наступне рівняння електричного стану:
Ек = Uке + IкRк, (4.10)
тобто сума падіння напруги на резисторі Rк і напруги колектор-емітер Uке транзистора завжди дорівнює постійній величині - ЕРС джерела живлення Ек.
Процес посилення грунтується на перетворенні енергії джерела постійної напруги Ек в енергію змінного напруги у вихідному ланцюзі за рахунок зміни опору керованого елемента (транзистора) згідно із законом, що задається вхідним сигналом.
При подачі на вхід підсилювального каскаду змінної напруги Uвх у базовій ланцюга транзистора створюється змінна складова струму IБ ~, а значить струм бази буде змінюватися. Зміна струму бази призводить до зміни значення струму колектора (ІК = bIБ), а значить, до зміни значень напружень на опорі Rк і Uке. Підсилювальні здібності обумовлені тим, що зміна значень струму колектора в b разів більше, ніж струму бази.
4.8 Розрахунок електричних ланцюгів з біполярними транзисторами
Для колекторному ланцюзі підсилювального каскаду (рис. 4.7) у відповідності з другим законом Кірхгофа справедливе рівняння (4.10).
Вольт - амперна характеристика колекторного резистора RК є лінійною, а вольт - амперні характеристики транзистора представляють собою нелінійні колекторні характеристики транзистора (рис. 4.5, а), включеного за схемою ОЕ.
Розрахунок такий нелінійної ланцюга, тобто визначення IK, URK і UКЕ для різних значень струмів бази Іб та опорів резистора RК можна провести графічно. Для цього на сімействі колекторних характеристик (рис. 4.5, а) необхідно провести з точки ЄК на осі абсцис вольт - амперна характеристику резистора RК, задовольняє рівнянню:
Uке = Ек - RкIк. (4.11)
Цю характеристику будують за двома точками:
Uке = Ек при Ік = 0 на осі абсцис і Ік = Ек / Rк при Uке = 0 на осі ординат. Побудовану таким чином ВАХ колекторного резистора Rк називають лінією навантаження. Точки перетину її з колекторними характеристиками дають графічне рішення рівняння (4.11) для даного опору Rк і різних значень струму бази Іб. За цим точкам можна визначити колекторний струм Ік, однаковий для транзистора і резистора Rк, а також напруга UКЕ і URK.
Точка перетину лінії навантаження з однієї із статичних ВАХ називається робочою точкою транзистора. Змінюючи IБ, можна переміщати її по навантажувальної прямої. Початкове положення цієї точки при відсутності вхідного змінного сигналу називають точкою спокою - Т0.
а) б)
Малюнок 4.8 - Графоаналитический розрахунок режиму транзистора за допомогою вихідних і вхідних характеристики.
Точка спокою (робоча точка) Т0 визначає струм IКП і напруга UКЕП в режимі спокою. За цим значенням можна знайти потужність РКП, що виділяється в транзисторі в режимі спокою, яка не повинна перевищувати граничної потужності РК мах, що є одним з параметрів транзистора:
РКП = IКП × UКЕП £ РК мах. (4.12)
У довідниках зазвичай не наводиться сімейство вхідних характеристик, а даються лише характеристики для UКЕ = 0 і для деякого UКЕ> 0.
Вхідні характеристики для різних UКЕ, що перевищують 1В, розташовуються дуже близько один до одного. Тому розрахунок вхідних струмів і напруг можна наближено робити по вхідній характеристиці при UКЕ> 0, взятої з довідника.
На цю криву переносяться точки А, Те і Б вихідний робочої характеристики, і виходять точки А1, Т1 і Б1 (рис. 4.8, б). Робоча точка Т1 визначає постійна напруга бази UБЕП і постійної струм бази IБП.
Опір резистора RБ (забезпечує роботу транзистора в режимі спокою), через який від джерела ЄК буде подаватися постійна напруга на базу:
(4.13)
В активному (усилительном) режимі точка спокою транзистора Те знаходиться приблизно посередині ділянки лінії навантаження АБ, а робоча точка не виходить за межі ділянки АБ.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Лекція
38.5кб. | скачати


Схожі роботи:
Біполярні транзистори 3
Біполярні транзистори 4
Біполярні транзистори
Біполярні транзистори
Біполярні горизонтальні і амакріновие клітини
Транзистори
Транзистори
Діоди і транзистори
Польові транзистори
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru