Биполярные транзисторы. Биполярный транзистор представляет собой монокристалл кремния или германия, в котором созданы три областиБиполярный транзистор представляет собой монокристалл кремния или германия, в котором созданы три области с чередующимися типами проводимости (р-n-р) или (n-р-n). Средняя часть (область) имеет проводимость противоположную крайним областям. Среднюю область называют базой, а крайние – эмиттером или коллектором. Между эмиттером и базой создается р-n-переход, называемый эмиттерным. Переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом. Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n – типов одинаков. Различие между ними заключается в том, что в транзисторе р-n-р ток создается дырками, а в транзисторе n-р-n – электронами. На рисунке 12 изображена структура и условное обозначение транзисторов р-n-р – типа и n-р-n – типа. К каждой из областей припаяны выводы, с помощью которых транзистор включается в схему.
эмиттер база коллектор эмиттер база коллектор
эмиттерный коллекторный эмиттерный коллекторный переход переход переход переход
Рис. 12
Физические процессы в биполярном транзисторе
Рис. 13 То есть под действием противоположно направленного внешнего электрического поля Еэ внутреннему полю эмиттерного перехода Ев тормозящее действие последнего поля прекращается (компенсируется), поэтому начинается инжекция дырок из эмиттера в базу. Для повышения эффективности эмиттера и уменьшения составляющей базового тока (электронная составляющая) эмиттерного тока, область эмиттера делают с большей концентрацией основных носителей, чем в базе. Движение дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер образует ток эмиттера Iэ=Iэ(р)+Iэ(n), причем Iэ(р)> > Iэ(n). Инжектируемые эмиттером основные носители в базовой области (дырки) являются неосновными, некоторая часть из которых рекомбинирует, а остальные попадают под действие сильного электрического поля коллекторного перехода Ек, обратно смещающего коллекторный переход, и втягиваются в область коллектора, образуя коллекторный ток Iк. Та часть дырок, ре-комбинировавших в базе является одной из составляющих базового тока. Для уменьшения тока рекомбинации ширину базовой области делают малой. Переход неосновных носителей через базу в коллектор характеризуется коэффициентом переноса носителей d. Он показывает, какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллекторного перехода. d=Iк/Iэ Важным параметром транзистора является коэффициент передачи тока эмиттера: a= D Iк/ DIэ, Uкэ=const+, a=0, 95¸ 0, 99 В коллекторной цепи протекает небольшой обратный ток коллектора, обусловленный неосновными носителями коллектора и базы, который изменяется при изменении окружающей температуры и нарушает стабильность работы транзистора. При малых значениях обратного тока коллекторный ток равен – Iк = aIэ. Кроме эмиттерного и коллекторного токов в транзисторе имеется базовый ток, в который входят три составляющих: ток рекомбинации, ток диффузии из базы в эмиттер и обратный коллекторный ток, противоположно направленный двум другим токам: Id=Iр+Iд–Iкd.о. Id – стремятся сделать минимальным, т.к. Iк =Iэ –Id Схемы включения транзисторов В зависимости от того, какой из эмиттеров транзистора является общим для его входной и выходной цепи, различают три схемы его включения (рис. 14).
Рис. 14
На рис. 14 (а) представлена схема с общей базой (О.Б.). В данной схеме входным током является ток эмиттера Iвх.d= Iэ, а выходным – ток коллектора Iвых.d= Iк=a× Iэ. Напряжение между Э и Б является входным Uвх.d= Uэd, а напряжение между коллектором и базой является выходным Uвых.d= Uкd = Uн. Входным сопротивлением является сопротивление между эмиттером и базой Rвх.d= Uвх.d /Iвх.d. Поскольку эмиттерный переход находится в открытом состоянии, входное сопротивление схемы с О.Б. – мало (единицы, десятки омов). Рассмотрим усилительные свойства данной схемы. Коэффициент передачи тока (Коэффициент усиление тока). КId=Iвых.d / Iвх.d= Iк / Iэ=aIэ / Iэ=a< 1 Коэффициент усиления напряжения: КUd= При прямом включении эмиттерного перехода с сопротивлением в несколько десятков Ом, сопротивление коллекторного перехода при обратном включении составляет сотни килоом. Поэтому в выходную цепь включается большое сопротивление нагрузки Rн > > Rэd. Тогда коэффициент усиления по напряжению КU > > 1. Коэффициент усиления по мощности: Кр= На рис. 14 (б) представлена схема с общим эмиттером. В данной схеме входным током является базовый ток Iвх.э=Id =Iэ (1-a), а выходным током – коллекторный Iвых.э=aIэ. Входное сопротивление примерно на два порядка больше, чем в схеме с О.Б. так как Rвх.э= Схема с О.Э. обладает усилением тока: КIэ= Коэффициент усиления напряжения в схеме с О.Э. такой же, как и в схеме с О.Б. КUэ= Однако схема с О.Э. кроме усиления изменяет фазу выходного напряжения на 1800. Поскольку схема с О.Э. обладает усилением по току и напряжению, она имеет наибольший коэффициент усиления по мощности. Кр.э=КI.э× КU.э= Схема с общим коллектором (О.К.) представлена на рисунке 14 (в). Входной ток Iвх.к=Id=Iэ(1-a) Выходной ток Iвых.к=Iэ Схема с О.К. обладает наибольшим усилием по току: KI.K= Схема с О.К. не обладает усилением напряжения, так как КU.К= Схема с О.К. часто называют эмиттерным повторителем, так как нагрузка включена в цепь эмиттера Кр.к»КI.к Статические вольтамперные характеристики транзистора Вольтамперные характеристики представляют собой графически выраженные зависимости токов от напряжений, действующих в цепях транзисторов. Характеристиками пользуются для определения режимов работы транзисторных каскадов по любой схеме включения, а также для графического анализа этих каскадов. Для схемы О.Б. входная характеристика определяется зависимостью тока эмиттера от напряжения между эмиттером и базой при постоянном напряжении между коллектором и базой Iэ=¦(Uэd) при Iкб=const. Выходные характеристики схем О.Б. показывают зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и базой Iэ=¦(Uкd) при Iэ=const. На рис. 15 показаны семейства входных а) и выходных б) характеристик для схем с О.Б.
Рис. 15 Для схемы с О.Э. входной характеристикой является зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером при Uк.э=const Id=¦(Ud.э) при Uк.э=const Выходной характеристикой является зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером, при Id=const. Iк=¦(Uк.э) при Id=const На рис. 16 представлены семейства входных а) и выходных б) характеристик для схемы с О.Э.
Рис. 16 Следует отметить, что на практике для схемы с О.К. применяют характеристики для схемы с О.Э., поскольку в этих схемах входным током является ток базы, а ток эмиттера по величине мало отличается от тока коллектора. Полевые транзисторы Существенным недостатком биполярных транзисторов является небольшое входное сопротивление и их инерционность. В целях устранения этого недостатка были разработаны полевые транзисторы. В отличие от биполярных их работа основана на управлении процессами в полупроводниковых приборах с помощью электрического поля. Обладая усилительными свойствами, полевые транзисторы являются униполярными полупроводниковыми приборами, так как прохождение в них тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного заряда в продольном электрическом поле через управляемый канал р или n-типа. Управление значением тока через канал осуществляется поперечным электрическим полем, о чем свидетельствует сам термин «полевые транзисторы». Таким образом, принцип работы полевого транзистора в самых общих чертах основан на том, что изменение напряженности поперечного электрического поля изменяет проводимость канала, по которому проходит ток выходной цепи. В устройствах электроники применяются две разновидности полевых транзисторов: с затвором в виде р-n-перехода и с изолированным затвором. Принцип работы, характеристики и параметры обеих разновидностей одни и те же. Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с затвором в виде р-n-перехода (рис. 17).
а) б) Рис. 17
Прибор состоит из пластины кремния с электропроводимостью n-типа, представляющий собой канал полевого транзистора, к торцам пластины присоединены два металлических контакта, называемых истоком и стоком. Последовательно к этим электродам подключают напряжение источника питания Ес и сопротивление нагрузки Rн (рис. 17). На противоположные грани пластины введены слои с проводимостью р-типа. Соединенные вместе эти слои образуют единый электрод, называемый затвором. При этом между каналом и затвором образуются 2 р-n-перехода. Проводимость канала определяется его сечением. Изменяя напряжение на затворе относительно истока Uз.u., смещающее при указанной полярности переходы в обратном направлении, можно изменить сечение канала за счет расширения или сужения р-n-перехода, а следовательно сопротивление канала и проходящий через него ток. При Uз.u = 0 ток стока Iе, проходящий через канал имеет максимальное значение, так как сечение канала максимально. Маркировка транзисторов Состоит из шести элементов: – первый элемент цифра или буква (исходный полупроводниковый материал): 1 (Г) – германий; 2 (К) – кремний; 3 (А) – арсенид галлия; – второй элемент буква (класс приборов): Т – биполярный транзистор; П – полевой транзистор; – третий, четвертый и пятый элемент: трехзначное число (табл. 1), первая цифра которого обозначает классификационный номер (частота и мощность), а две последующие цифры от 01 до 99 порядковый номер разработки технологического типа прибора; Таблица 1
– шестой элемент: буква от А до Я, определяет деление технологического типа на параметрические группы (разновидности одного типа). В качестве примера возьмем два типа транзисторов: КП301В и 2Т818Г.
|
Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных носителей электрических зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу. При подключении в выводы транзистора внешних источников напряжения Еэ и Ек, с полярностью, указанной на рис. 13, эмиттерный переход окажется смещенным прямо.
> > 1
=КId × KUd > 1
> > 1
1
КП301В
