Транзистор. Транзисторы. Тип прибора Условное графическое обозначение (уго)
 Скачать 173.12 Kb.
|
|
Транзисторы Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Каждый из этих типов имеет свой принцип работы и конструктивное исполнение, однако, общим для них является наличие полупроводниковых p-n структур. Условные графические обозначения (УГО) транзисторов приведены в таблице:
Биполярные транзисторы Определение "биполярный" указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух типов - электроны и дырки. Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным. Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора.  Э - эмиттер, Б - база, К - коллектор, ЭП - эмиттерный переход, КП - коллекторный переход, W - толщина базы. Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора: Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток Режим насыщения – оба p-n перехода открыты Активный режим – один из p-n переходов открыт, а другой закрыт В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. Эффективное управление транзистором осуществляется только в активном режиме. Этот режим является основным. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным. В нормальном режиме коллекторный p-n переход закрыт, эмиттерный – открыт. Ток коллектора пропорционален току базы. Движение носителей заряда в транзисторе n-p-n типа показано на рисунке:  При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ. Так как внешнее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы. База выполнена из p-полупроводника, поэтому электроны являются для неё неосновными носителями заряда. Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы. Однако базу обычно выполняют очень тонкой из p-проводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с её дырками, образуя базовый ток Iб. Большинство же электронов вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую коллекторного тока Iк. Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока  Как следует из качественного рассмотрения процессов, происходящих в биполярном транзисторе, коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов α = 0,9 ÷ 0,95 При Iэ ≠ 0 ток коллектора транзистора равен:  В рассмотренной схеме включения базовый электрод является общим для эмиттерной и коллекторной цепей. Такую схему включения биполярного транзистора называют схемой с общей базой, при этом эмиттерную цепь называют входной, а коллекторную – выходной. Однако такую схему включения биполярного транзистора применяют очень редко. Три схемы включения биполярного транзистора Различают схему включения с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором. Схемы для p-n-p транзистора показаны на рисунках а, б, в:  В схеме с общей базой (рис. а) электрод база является общим для входной и выходной цепи, в схеме с общим эмиттером (рис. б) общим является эмиттер, в схеме с общим коллектором (рис. в) общим является коллектор. На рисунке показаны: Е1 – питание входной цепи, Е2 – питание выходной цепи, Uвх – источник усиливаемого сигнала. В качестве основной принята схема включения, в которой общим электродом для входной и выходной цепи является эмиттер (схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером). Для такой схемы входной контур проходит через переход база-эмиттер и в нем возникает ток базы:  Малое значение тока базы во входном контуре обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером (ОЭ) В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iб = f1(Uбэ) называют входной или базовой вольт-амперной характеристикой (ВАХ) транзистора. Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы Iк = f2(Uкэ), Iб – const называют семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Входная и выходная ВАХ биполярного транзистора средней мощности типа n-p-n приведены на рисунке:  Как видно из рисунка, входная характеристика практически не зависит от напряжения Uкэ. Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения Uкэ. Зависимость Iб = f(Uбэ) представляет собой экспоненциальную зависимость, характерную для тока прямосмещённого p-n перехода. Поскольку ток базы – рекомбинационный, то его Iб величина в β раз меньше, чем инжектированный ток эмиттера Iэ. При росте коллекторного напряжения Uк входная характеристика смещается в область больших напряжений Uб. Это связано с тем, что вследствие модуляции ширины базы (эффект Эрли) уменьшается доля рекомбинационного тока в базе биполярного транзистора. Напряжение Uбэ не превышает 0,6…0,8 В. Превышение этого значения приведет к резкому увеличению тока, протекающего через открытый эмиттерный переход. Зависимость Iк = f(Uкэ) показывает, что ток коллектора прямопропорционален току базы: Iк = B · Iб Параметры биполярного транзистора К основным параметрам транзистора относятся: Статический коэффициент усиления по току: B = Iк / Iб Его величина находится а пределах 50…250 Дифференциальный коэффициент усиления по току:  при Uкэ = const Статический коэффициент передачи тока эмиттеру:  Дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттеру:  Коэффициенты α0 и α практически одинаковы. Их значения находятся в пределах 0,9…0,998 и являются функциями температуры и напряжения Uкэ Дифференциальное выходное сопротивление:  при Uбэ = const Дифференциальное входное сопротивление:  при Uкэ = const Представление транзистора в малосигнальном режиме работы четырехполюсником В малосигнальном режиме работы транзистор может быть представлен четырехполюсником. Когда напряжения u1, u2 и токи i1, i2 изменяются по синусоидальному закону, связь между напряжениями и токами устанавливается при помощи Z, Y, h параметров.  Потенциалы 1', 2', 3 одинаковы. Транзистор удобно описывать, используя h-параметры. Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырьмя величинами: Iб, Uбэ, Iк и Uкэ. Две из этих величин можно считать независимыми, а две другие могут быть выражены через них. Из практических соображений в качестве независимых удобно выбирать величины Iб и Uкэ. Тогда Uбэ = f1(Iб, Uкэ) и Iк = f2(Iб, Uкэ). В усилительных устройствах входными сигналами являются приращения входных напряжений и токов. В пределах линейной части характеристик для приращений Uбэ и Iк справедливы равенства:  Физический смысл параметров:  – входное сопротивление при коротком замыкании полюсов 2-2'; – коэффициент передачи по напряжению в режиме хх со стороны полюсов 1-1'; – коэффициент передачи по току при коротком замыкании полюсов 2-2' – выходная проводимость при холостом ходе на входе, полюсы 1-1' разомкнуты.Для схемы с ОЭ коэффициенты записываются с индексом Э: h11э, h12э, h21э, h22э. В паспортных данных указывают h21э = β , h21б = α. Эти параметры характеризуют качество транзистора. Для увеличения значения h21 нужно либо уменьшить ширину базы W, либо увеличить диффузионную длину, что достаточно трудно. Составные транзисторы Для увеличения значения h21 соединяют биполярные транзисторы по схеме Дарлингтона:  В составном транзисторе, имеющем характеристики, как одного, база VT1 соединена с эмиттером VT2 и ΔIэ2 = ΔIб1. Коллекторы обоих транзисторов соединены и этот вывод является выводом составного транзистора. База VT2 играет роль базы составного транзистора ΔIб = ΔIб2, а эмиттер VT1 – роль эмиттера составного транзистора ΔIэ = ΔI1. Получим выражение для коэффициента усиления по току β для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базы dIб и вызванным вследствие этого изменением тока коллектора dIк составного транзистора следующим образом:  Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно составляет несколько десятков (β1, β2 >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов βΣ = β1 · β2 и может быть достаточно большим по величине. Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток VT2 Iэ2 является базовым током VT1 dIб1, то, следовательно, транзистор VT2 должен работать в микромощном режиме, а транзистор VT1 – в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторов VT1 и VT2 не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления β1, β2 ≈ 30 суммарный коэффициент усиления βΣ составит βΣ ≈ 1000. Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статистическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1, VT2 в отдельности. Наверх Частотные свойства биполярных транзисторов Процесс распространения инжектированных в базу неосновных носителей заряда от эмиттерного до коллекторного перехода идет диффузионным путем. Этот процесс достаточно медленный, и инжектированные из эмиттера носители достигнут коллектора не ранее чем за время диффузии носителей через базу. Такое запаздывание приведет к сдвигу фаз между током Iэ и током Iк. При низких частотах фазы токов Iэ, Iк и Iб совпадают. Частота входного сигнала, при которой модуль коэффициента усиления  уменьшается в  раз по сравнению со статическим значением β0, называется предельной частотой усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером  fβ – предельная частота (частота среза) fгр – граничная частота (частота единичного усиления) Проверьте себя, отвечая на нижеследующие контрольные вопросы: Материал для подготовки к аттестации по теме: «Транзисторы» В чем заключается принцип работы биполярного транзистора? Какие значения имеет коэффициент передачи тока эмиттера? Какие значения коэффициент передачи тока базы? Перечислите схемы включения биполярных транзисторов. Перечислите режимы работы биполярного транзистора. Приведите УГО ( условно-графическое обозначение) биполярных транзисторов. Перечислите разновидности биполярных транзисторов. Как влияет толщина базы на усилительные свойства биполярного транзистора? В каком направлении смещены p-n-переходы биполярного транзистора в режиме насыщения? В каком направлении смещены p-n-переходы биполярного транзистора в режиме отсечки? Какой величиной ограничено входное (управляющее) апряжение в эквивалентной схеме биполярного транзистора для активного режима (режим малого сигнала – РМС)? По какой ВАХ определяют параметры h11 и h12? Чему равен коэффициент передачи тока базы при граничной частоте единичного усиления? Для справки : Энциклопедия нефти и газа https://www.ngpedia.ru/txt_index.html | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
