Биполярный транзистор. Биполярные транзисторы

• Название: Биполярные транзисторы
• Дата: 25.12.2021
• Размер: 245 Kb.
• Имя файла: Биполярный транзистор.doc
• Тип: Документы; #317986

Введение.

В промышленной электронике используют большое число различных типов полупроводниковых приборов, которые можно разделить на несколько основных групп: 1) полупроводниковые резисторы; 2) полупроводниковые диоды; 3) биполярные транзисторы; 4) полевые транзисторы; 5) тиристоры и т.д.

Полупроводниковые резисторы и диоды являются двухэлектродными приборами, биполярные и полевые транзисторы – трёхэлектродными приборами, тиристоры могут быть как двухэлектродными, так и трёхэлектродными.

В биполярных транзисторах полупроводники с различными типами электропроводности образуют два р-n-перехода. Электрические характеристики биполярных транзисторов обусловлены электрическими свойствами этих р-n-перходов и существенно зависят от их взаимодействия. Полевые транзисторы основаны на полупроводниках с различными типами электропроводности, которые образуют один р-n-переход. Но в отличие от диодов и биполярных транзисторов электрические характеристики полевых транзисторов зависят от взаимодействия изотропного полупроводникового канала с р-n-переходом.
Биполярные транзисторы.
Транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности, имеющий три или более выводов.

Широко распространённые транзисторы с двумя p-n-переходами носят название биполярных. Термин “биполярный” связан с наличием в этих транзисторах двух различных типов носителей заряда – электронов и дырок. Для изготовления транзисторов применяют германий и кремний. Два р-n-перехода создают с помощью трёхслойной полупроводниковой структуры из полупроводников с различными типами электропроводности. Возможны две трёхслойные структуры с различным чередованием областей, имеющих электронную и дырочную электропроводность: дырочная - электронная – дырочная и электронная – дырочная –электронная.

В соответствии с чередованием областей с различными типами электропроводности биполярные транзисторы подразделяют на два класса: p-n-p и n-p-n типа. Условное обозначение транзисторов p-n-p и n-p-n типа приведены на рисунке 1.

а)	б)

Рисунок 1. Условное обозначение транзисторов.

Транзисторы принято разделять на группы также по частоте и мощности.

Таблица 1.Классификация биполярных транзисторов по частоте и по мощности.

Частотные группы	Группы по мощности
Низкочастотные fгр  3 МГц	Малой мощности Рмах 0.3 Вт
Среднечастотные 3 МГц  fгр  30 МГц	Средней мощности 0.3 Вт  Рмах 1.5 Вт
Высокочастотные 30 МГц  fгр  300 МГц	Большой мощности Рмах 1.5 Вт
СВЧ fгр  300 МГц

У биполярных транзисторов центральный слой называют базой. Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов или дырок), который главным образом и создаёт ток прибора, называют эмиттером, а наружный слой, принимающий заряды, поступающие от эмиттера, - коллектором.

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока:

(1)

Как следует из качественного рассмотрения процессов, происходящих в биполярном транзисторе, коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов  = 0,9 – 0,995.

Основной схемой биполярного транзистора считают схему, в которой общим электродом для входной и выходной цепей по переменному току является эмиттер. Для такой схемы входной ток равен току базы:

I_б = I_э – I_к = (1-) I_э – I_ко  I_э  I_к. (2)

Малая величина входного (управляющего) тока и обусловила широкое применение схемы с общим эмиттером.

Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов. Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером U_ка называют входной или базовой характеристикой транзистора I_б(U_бэ),а зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы – семейство его выходных характеристик I_к(U_кэ).

Входная и выходные характеристики биполярного транзистора средней мощности типа n-p-n приведены соответственно на рисунке 2.

????????

Рис.2. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора.

Для анализа и расчёта цепей с биполярными транзисторами используют h – параметры транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Электрическое состояние транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, характеризуется величинами I_б, U_бэ , I_к, U_кэ.

В усилительных устройствах входным и выходным сигналами являются приращения входных и выходных напряжений и токов.

При малых приращениях U_бэ и I_б справедливы равенства:



. (3)
Характеристики транзисторов, так же как полупроводниковых диодов, сильно зависят от температуры. С повышением температуры резко возрастает начальный коллекторный ток вследствие значительного увеличения числа неосновных носителей заряда в коллекторе и базе транзистора.

Частота, на которой коэффициент передачи тока h_21э уменьшается до единицы, носит название граничной частоты коэффициента передачи тока f_гр.

В технической документации на транзисторы приводятся их h-параметры и режимы, в которых они измеряются.h-параметры транзистора являются основными параметрами при расчёте устройств на биполярных транзисторах.

Для предотвращения перегрева коллекторного перехода необходимо, чтобы мощность, выделяемая в нём при прохождении коллекторного тока, не превышала некоторой максимальной величины:

Р_к = I_кU_кэ  P_{к max} (4)

В целях увеличения допустимой мощности коллектора Р_к в мощных транзисторах коллектор для улучшения теплоотвода соединяют с металлическим корпусом транзистора, а сам прибор монтируют на специальном радиаторе.

Ограничение по допустимой мощности коллектора не единственное. Если между коллектором и эмиттером (или базой и эмиттером) приложено слишком высокое напряжение, то может произойти электрический пробой закрытого перехода, поэтому необходимо, чтобы при работе транзистора коллекторное напряжение было меньше максимально допустимого:

U_кэ  U_{кэ max} (5)

Существует аналогичное ограничение и по коллекторному току:

I_к  I_{к max} (6),

которое обусловлено допустимым перегревом эмиттерного перехода. Область, выделенная этими тремя ограничивающими кривыми (рис. 3), является рабочей областью выходных характеристик биполярного транзистора.

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми усилительными и ключевыми приборами универсального назначения и широко применяются в различных усилителях, генераторах, логических и импульсных устройствах.

Параметры отечественных биполярных транзисторов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры биролярных транзисторов.

Uкэ max	Pк max Вт	Iк max A	fгр Мгц	Gk nФ	h11э Ом	h21э	h22э Ом
10-100	0,1-60	0,01-12	0,05-300	1-100	10-1000	20-200	10-3-10-7

Рисунок 3. Рабочая область выходных характеристик биполярного транзистора типа n-p-n.

Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов.

Взависимости от полярности подведённых напряжений к VT различают следующие режимы работы:

1 Активный режим. Напряжение на Эмиттерном переходе прямое, на коллекторном обратное.

2 Режим насыщения, коллектору соответствуют прямые напряжения на обоих переходах.

3 Режим отсечки, коллектору соответствуют обратные напряжения на обоих переходах.

4 Инверсный режим, характеризуется обратным напряжением на эмиттерном переходе, и прямым на коллекторном.
Чаще всего используют активный режим работы VT . Различают в основном схемы включения в активном режиме :

С общим Э, общей Б, общим К.

На рисунке 4 приведены эти схемы включения.
Сх с общим Э. Она обеспечивет усиление сигнала и по току и по напряжнеию и по мощности.

I_вх/I_вых = К_i  1()K_u = U_вых/U_вх  1

К_р  Р_вых/Р_вх  1

Схема имеет не большое входное сопротивление R,

r_вх  1001 к r_вых  110 к.

Сх с общей Б. Если по аналогии со схемой общего Э рассматривать К_i, то для схемы с общей Б

I_вх = I_э, I_вых I_к I_вых/I_вх = I_к/I_э = , К_i= = 0,95-0,99

К_u  1 , К_р  1.

Сопротивление r_вх не большое, r_вых большое , что позволяет включать в выходную цепь высокоомное Rn.

Сх с общим К. Используется очень редко, т.к. она обеспечивает очень небольшое усиление по току и не даёт усиления по напряжению К_i  1 , К_u  1,К_р  1.

Основное достоинство в том ,что она обладает большим входным r, r_вх  0,10,5 м r_вых  1001 к.

Схему используют там , где необходимо согласовать высокое r_внутр источника входного сигнала с внутренним сопротивлением усилителя.

Рисунок 4. Схемы включения биполярных транзисторов.
p-n-p n-p-n