Электроника. 1. Полупроводники. Основные положения теории электропроводимости. Собственная и примесная проводимость полупроводника
 Скачать 1.1 Mb.
|
11.Биполярные транзисторы. Устройство , принцип работы , основные параметры, графическое обозначение Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного(полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.Устройство Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. У  биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора. Принцип работы Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока - основной "большой" ток, и управляющий "маленький" ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.  Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления: по току  ; (3.1)по напряжению   ; (3.2)по мощности  ; (3.3)а также: входное сопротивление  выходное сопротивление  12.Схемы включения биполярных транзисторов и их основные свойстваС  хема включения с общим эмиттером (ОЭ) характеризуется наибольшим усилением тока и напряжения, соответственно и мощности. При данном подключении происходит смещение выходного переменного напряжения на 180 электрических градусов относительно входного. Основной недостаток – это низкая частотная характеристика, то есть малое значение граничной частоты, что не дает возможность использовать при высокочастотном входном сигнале. В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы Iб, и напряжение на коллекторе Uк, а выходными характеристиками будут ток коллектора Iк и напряжение на эмиттере Uэ. В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа)  Коэффициент α/(1-α) перед сомножителем Iб показывает, как изменяется ток коллектора Iк при единичном изменении тока базы Iб. Он называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент значком β. Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α < 1), то из уравнения (5.31) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β >> 1)П  роанализируем, почему малые изменения тока базы Iб вызывают значительные изменения коллекторного тока Iк. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.Рис. 5.16. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора КТ215В, включенного по схеме с общим эмиттером [24, 29]:а) входные характеристики; б) выходные характеристики Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.  Схема включения с общей базой (ОБ) обеспечивает отличную частотную характеристику. Но не дает такого большого усиления сигнала по напряжению как с ОЭ. А усиление по току не происходит совсем, поэтому данную схему часто называют токовый повторитель, потому что она имеет свойство стабилизации тока. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) показана на рис. 1.10. Входным сигналом для схемы с ОБ является напряжение, поданное между эмиттером и базой UBX = = UЭБ; выходным – напряжение, выделяемое на нагрузке Uвых = IкRн; входным током – ток эмиттера Iвх = IЭ; выходным током – ток коллектора Iвых = Iк. Входное напряжение UЭБ является управляющим для транзистора, поэтому небольшое его изменение (па доли вольт) приводит к изменению тока эмиттера в очень широких пределах – практически от нуля до максимального. Максимальный ток определяется назначением транзистора (маломощные, средней мощности и большой мощности) и соответствующей конструкцией. Так как напряжение UΚБ является обратным, величина напряжения внешнего источника Ек может в десятки раз превышать значение напряжения UЭБ. Падение напряжения, выделяемого на нагрузке, будет тем больше, чем больше ток коллектора, при этом на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UКБ, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора:  Таким образом, изменение на доли вольт входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, чуть меньшего, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора. Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматривают приращения входных и вызванные ими приращения выходных величин. Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления. Различают три вида коэффициентов усиления: • коэффициент усиления по току КI = ΔIвых /ΔIвх; • коэффициент усиления по напряжению КU = ΔUвых/ΔUвх; • коэффициент усиления по мощности КР = КI • КU. Величина входного сопротивления определяется как отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока: Rвх = ΔUвх/ΔIвх. Входное сопротивление любого усилителя приводит к искажению входного сигнала. Любой реальный источник сигнала обладает некоторым внутренним сопротивлением, и при подключении его к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя. Поэтому чем выше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала будет выделяться на этом сопротивлении и усиливаться и тем меньшая его часть будет падать на внутреннем сопротивлении самого источника. Так как коэффициент передачи тока эмиттера определяется как α = Iк / Iэ, то с учетом того, что для схемы с ОБ ток эмиттера является входным током, а ток коллектора – выходньм, коэффициент усиления по току будет равен:  (Индекс "Б" в обозначении КIБ показывает, что коэффициент характеризует работу схемы с ОБ.) Так как входным напряжением является прямое для эмиттерного перехода напряжение UЭБ, а входным током – ток эмиттера, то входное сопротивление определится как  и составляет обычно единицы–десятки ом. Очевидно, что чем мощнее транзистор, тем больше будет ток эмиттера и тем меньше его входное сопротивление. Коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОБ равен:  т.е. определяется соотношением сопротивления нагрузки и входного сопротивления. Если Rn – килоомы, коэффициент КUБ может достигать 1000. Коэффициент усиления по мощности определяется как произведение коэффициентов усиления по току и напряжению:  Таким образом, КРБ тоже определяется соотношением сопротивлений. Так как коэффициент усиления схемы с ОБ по току КIБ оказывается меньше единицы, она применения не нашла. В  ходные ВАХ транзистора с общей базой:Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p - n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uКБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения uКБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения uБЭ при неизменном входном токе. В  ыходные ВАХ транзистора с общей базой:Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при uКБ < 0, то есть только тогда, когда коллекторный переход смещен в прямом направлении. При этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу. Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор электронов эмиттера. Данный режим называют режимом насыщения. Линии в области uКБ < 0, называются линиями насыщения. Ток коллектора становится равным нулю при uКБ < -0,75 В. При uКБ >0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора IК0, то есть график ВАХ, соответствующий iЭ = 0, практически сливается с осью напряжений. С  хема с общим коллектором (ОК) имеет практически такое же усиление по току как и с ОЭ, а вот усиление по напряжению почти равно 1 (чуть меньше). Смещение напряжения не характерно для данной схемы подключения. Ее еще называю эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе (UЭБ) соответствуют входному напряжению.Применение транзисторов: - усилительные схемы; - генераторы сигналов; - электронные ключи. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше ее. В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен ki, т. е. нескольким десяткам. В схеме ОК фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки килоом), а выходное — сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы. Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки килоом), а выходное - сравнительно небольшое. Это является немаловажным достоинством схемы. Iвых=Iэ Iвх=Iб Uвх=Uбк Uвых=Uкэ Достоинства: Большое входное сопротивление Малое выходное сопротивление Недостатки: Не усиливает напряжение |