Биполярный транзистор. Биполярные транзисторы
![]()
|
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.
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.
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: ![]() 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: Iб = Iэ – Iк = (1-) Iэ – Iко Iэ Iк. (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 Uка называют входной или базовой характеристикой транзистора Iб(Uбэ),а зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы – семейство его выходных характеристик Iк(Uкэ). 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 Iб, Uбэ , Iк, Uкэ. В усилительных устройствах входным и выходным сигналами являются приращения входных и выходных напряжений и токов. При малых приращениях Uбэ и Iб справедливы равенства: ![]() ![]() 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 h21э уменьшается до единицы, носит название граничной частоты коэффициента передачи тока fгр. 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: Рк = IкUкэ Pк max (4) В целях увеличения допустимой мощности коллектора Рк 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: Uкэ Uкэ max (5) Существует аналогичное ограничение и по коллекторному току: Iк Iк 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.
![]() 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. Iвх/Iвых = Кi 1()Ku = Uвых/Uвх 1 Кр Рвых/Рвх 1 Схема имеет не большое входное сопротивление R, rвх 1001 к rвых 110 к. Сх с общей Б. Если по аналогии со схемой общего Э рассматривать Кi, то для схемы с общей БIвх = Iэ, Iвых Iк Iвых/Iвх = Iк/Iэ = , Кi= = 0,95-0,99Кu 1 , Кр 1.Сопротивление rвх не большое, rвых 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 Кi 1 , Кu 1,Кр 1.Основное достоинство в том ,что она обладает большим входным r, rвх 0,10,5 м rвых 1001 к. Схему используют там , где необходимо согласовать высокое rвнутр источника входного сигнала с внутренним сопротивлением усилителя. Рисунок 4. Схемы включения биполярных транзисторов. p-n-p n-p-n ![]() |