Print Shortlink

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводнико­вый прибор, имеющий два электронно-дырочных перехода, об­разованных в одном монокристалле полупроводника, Эти пере­ходы образуют в полупроводнике три области с различными ти­пами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая - коллектором (К), средняя - базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включе­ния транзистора в электрическую цепь.

Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередова­ния р - и n - областей различают транзисторы со структурой р-п-р и п-р-п. Условные графические обоз­начения биполярных транзисторов р-п-р и п-р-п отличаются лишь направ­лением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер. Принцип Работы транзисторов р-п-р и п-р-п одинаков, поэтому в даль­нейшем будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-п-р.

Структура биполярного транзистора.

Рис.1. Структура биполярного транзистора.

Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется   эмиттерным, а коллектором и базой - коллекторным. Расстояние между переходами очень мало; у высокочастотных транзисторов оно менее   10 микрометров, а у низкочастотных не превышает 50 мкм.

В зависимости от способа подключения р - n - переходов биполярного тран­зистора к внешним источникам питания он может работать в режиме отсечки, насыщения или активном режиме.

Режим отсечки биполярного транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р - n -переходы подключены к внеш­ним источникам в обратном направлении В этом слу­чае через оба р - n -перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера ( IЭБО ) и коллектора ( IКБО ). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Если эмиттерный и коллекторный р – n - переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффу­зионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного пере­ходов будет частично ослабляться электрическим полем, создава­емым внешними источниками UЭБ и UКБ.  В результате уменьшит­ся потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллек­тор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера ( IЭ.нас )  и коллектора  ( IК.нас ).

Режим отсечки биполярных транзисторов.

Рис.2. Режим отсечки биполярных транзисторов.

Режимы отсечки и насыщения используются при работе биполярных тран­зисторов в импульсных схемах и в режиме переключения. Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора.

При работе биполярного транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном нап­равлениях. Под действием прямого напряжения UЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n -типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к кол­лекторному p - n - переходу. Часть дырок в базе заполняется ( рекомбинирует ) имеющимися в ней свободными электронами.  Од­нако ширина базы небольшая - от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р  - n - перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора IКp не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому

IКp = h21БIЭ

Величина h21Б называется статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера. Для современных биполярных транзисторов h21Б =0,90...0,998.

Так как коллекторный переход включен в обратном направ­лении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток IКБО, образованный неоснов­ными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по  схеме  приведенной на

 IК = h21БIЭ + IКБО.

 

 

Дыркии, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся )в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество элек­тронов.  Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток IБрек,. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противополож­ном направлении и полный ток базы

IБ = IБрек  - IКБО

В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.

В схеме, приведенной на, электрическая цепь, обра­зованная источником UЭБ, эмиттером и базой биполярного транзистора, на­зывается входной, а цепь, образованная источником UкБ, коллек­тором и базой этого же транзистора,- выходной. База явля­ется общим электродом транзистора для входной и выходной це­пей, поэтому такое его включение называют схемой с общей ба­зой, или сокращенно «схемой ОБ».

На изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема вклю­чения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ». В ней выходным током, как и в схеме ОБ, является ток коллектора IК, незначительно отличающийся от тока эмиттера IЭ, а входным - ток базы IБ, значительно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами IБ  и IК в схеме ОЭ определяется уравнением:

IК = h21ЕIБ + IКЭО.

Коэффициент пропорциональности h21Е называют статичес­ким коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера : h21Б:

h21Е  = h21Б / ( 1 - h21Е  )

Если h21Б  находится в пределах 0,9...0,998, соответствующие значения  h21Е  будут в пределах 9...499.

Составляющая  IКЭО  называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в  ( 1+h21Е ) больше, чем  IКБО, т.е.

IКЭО = ( 1+h21Е ) IКБО.

Включение транзистора в активном режиме работы.

Рис.3. Включение транзистора в активном режиме работы.

Обратные токи IКБО и IКЭО не зависят от входных напряжений UЭБ и  UБЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от тем­пературы окружающей среды и определяют температурные свой­ства транзистора. Установлено, что значение обратного тока IКБОудваивается при повышении температуры на 10°С для германи­евых и на 8°С для кремниевых транзисторов. В схеме ОЭ темпе­ратурные изменения неуправляемого обратного тока Iкэо могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения не­управляемого обратного тока IКБО и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются спе­циальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способствующие уменьшению влияния температурных измене­ний токов на работу транзистора.

На практике часто встречаются схемы, в которых общим элек­тродом для входной и выходной цепей биполярного транзистора является кол­лектор. Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК.».

Независимо от схемы включения транзистора для него всегда справедливо уравнение, связывающее токи его электродов:

IЭ  = IК  + IБ

Эти характеристики показывают графическую зависимость между токами и напряжениями транзистора и могут применяться для определения некоторых его параметров, необходимых для расчёта транзисторных схем. Наибольшее применение получили статические входные и выходные характеристики.

Входные статические характеристики представля­ют собой вольт-амперные характеристики эмитерного электронно – дырочного перехода. Если транзистор включен по схеме с общей базой, то это будет зависимость тока эмиттера  IЭ от напряжения на эмиттерном переходе UЭБ. При отсут­ствии коллекторного напряжения ( UкБ = О) входная характерис­тика представляет собой прямую ветвь вольт-амперной характеристики эмиттерного ЭДП, подобную ВАХ диода. Если на коллектор подать некоторое напряжение, смещающее его в обратном направлении, то коллекторный ЭДП расширится и толщина базы следствие этого уменьшится. В результате уменьшится и сопро­тивление базы эмиттерному току, чточ приведет к увеличению эмиттерного тока, то есть характеристика пройдет выше.

При включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером входной характеристикой будет графическая зави­симость тока базы IБ от напряжения на эмиттерном переходе UБЭ . Так как эмиттерный переход и при таком включении остается смещенным в прямом направлении, то входная характеристика будет также подобна прямой ветви вольт-амперной характерис-тикй'эмйттерного ЭДП.

Статические характеристики биполярных транзисторов

Рис. 4. Статические характеристики биполярных транзисторов

Выходные статические характеристики би­полярного транзистора - это вольт-амперные характеристики коллекторного электронно-дырочного перехода, смещенного в обратном направлении. Их вид также зависит от способа вклю­чения транзистора и очень сильно от состояния, а точнее — ре­жима работы, в котором находится эмиттерный ЭДП.

Если транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ) и  IЭ  = 0, то есть цепь эмиттера оборвана, то змиттерный ЭДП не оказывает влияния на коллекторный переход. Так как на коллекторный ЭДП подано обратное напряжение, то выходная характеристика, представляющая собой зависимость тока кол­лектора IК от напряжения между коллектором и базой  UкБ,  будет подобна обратной ветви ВАХ диода (нижняя кривая). Если же на эмиттерный ЭДП подать прямое нап­ряжение, то появится ток эмиттера IЭ, который создаст почти такой же коллекторный ток IК . Чем больше прямое напряжение на эмиттерном ЭДП, тем больше значения эмиттерного и кол­лекторного токов и тем выше располагается выходная характеристика.

Сказанное справедливо и при включении биполярного тран­зистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Разница состоит лишь в том, что в этом случае выходные характеристики снимают не при постоянных значениях тока эмиттера, а при постоянных зна­чениях тока базы IБ,  и идут они более круто, чем выходные характеристики в схеме с ОБ.

При чрезмерном увеличении коллекторного напряжения происходит пробой коллекторного ЭДП, сопровождающийся резким увеличением коллекторного тока, разогревом транзистора и вы­ходом его из строя. Для большинства биполярных транзисторов напряжение пробоя коллекторного перехода лежит в пределах от 20 до 30 В. Это важно знать при выборе транзистора для заданного напря­жения источника питания или при определении необходимого напряжения источника питания для имеющихся транзисторов.

Увеличение температуры вызывает возрастание токов тран­зистора и смещение его характеристик. Особенно сильно влияет температура на выходные характеристики в схеме ОЭ.

Все описанное выше касалось работы биполярного транзистора при посто­янных напряжениях и токах его электродов. При работе транзис­торов в усилительных схемах важную роль играют переменные сигналы с малыми амплитудами. Свойства транзистора в этом случае определяются так называемыми малосигнальными параметрами.

На практике наибольшее применение получили малосигналь­ные  h - параметры. Их называют также гибридными, или смешанными, из-за того, что одни из них имеют размерность проводимости, другие сопротивления, а третьи во­обще безразмерные.

Всего h - параметров четыре: h11,  h12,  h21 и h22  и определяются они следующими выражениями:

 

h11  =  ∆UВХ   /  ∆IВХ ,  при   UВЫХ  =  const.

Запись const является сокращением слова constanta, то есть пос­тоянная величина. В данном случае это означает, что при опреде­лении параметра h11  приращения входного напряжения ∆UВХ   и вход­ного тока ∆IВХ выбираются при неизменном (постоянном) значении выходного напряжения UВЫХ. Параметр h11 характеризует входное сопротивление биполярного транзистора и измеряется в омах. Более кратко выражение для определения параметра h11 записывают в виде:

h11  =  ∆UВХ  /  ∆IВХ,  при   UВЫХ =  const.

 

Параметры h12  ,  h21   , h22 определяются следующими выражениями:

h12 =  ∆UВХ   / ∆UВыХ   ,  при   IВХ  =  const.

 

—        коэффициент обратной связи по напряжению ( безразмер­ная величина );

h21  =  ∆IВЫХ  /  ∆IВХ,  при   UВЫХ =  const.

—        коэффициент прямой передачи по току, ( безразмерная ве­личина );

h22 =  ∆IВЫХ  /  ∆UВЫХ,  при   IВХ =  const.

выходная  проводимость, измеряется в сименсах ( См ).

h параметры биполярных транзисторов.

Рис.5. h параметры биполярных транзисторов.

Знак ∆ означает небольшое изменение напряжения U или тока I относительно их значений в статическом режиме.

Все h  -параметры можно определить по статическим характе­ристикам. При этом параметры h11 и h12 определяются по вход­ным, а h21 и  h22 – по выходным характеристикам. Необходимо только иметь в виду, что значения Л-парамётров зависят от схемы включения транзистора. Для указания схемы включения к цифро­вым индексам h  - параметров добавляется буквенный индекс: Б — если транзистор включен по схеме ОБ, или Э — если транзистор ключей по схеме ОЭ. Кроме того, приращения входных и выход­ных токов и напряжений нужно заменить приращениями напря­жений и токов соответствующих электродов транзистора с учетом конкретной схемы включения.

Значения h - параметров зависят от режима работы биполярного транзистора, т. е. от напряжений и токов его электродов. Режим работы .Транзистора определяется на характеристиках положением ра­бочей точки, которую будем обозначать в дальнейшем буквой А.  Если указано положение рабочей точки А на семействе статических входных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ, параметры h11Ээ и h12Э определяются следующим образом:

h11Э  =  ∆UБЭ /  ∆IБ,  при   UКЭ  =  const, соответствует = ( U’’’БЭ -  U’’БЭ ) / (  I’Б  - I’’Б );

h12Э =  ∆UБЭ   / ∆UКЭ   ,  при   IБ  =  const, соответствует = ( UБЭ0 -  U’БЭ ) / 5

Параметры h21Э и h22Э  определяются в рабочей точке А по вы­ходным характеристикам в соответствии с формулами:

h21Э  =  ∆IК   /  ∆IК ,  при   UКЭ  =  const, соответствует = ( I’К -  I’’К ) / (  I’Б  - I’’Б );

h22Э =  ∆I’К /  ∆UКЭ ,  при   IБ  =  const. соответствует = ( IК(Е) -  IК (D)) / (  U’’КЭ-  U’КЭ).

Аналогично рассчитываются h - параметры для схемы ОБ.

При расчете параметров h12 и h21 надо токи и напряжения подставлять в формулы в основных единицах измерения.

Параметр h216 называют коэффициентом передачи тока в схеме ОБ, а h21э— коэффициентом пере­дачи тока в схеме ОЭ. В отличие от статических коэффи­циентов передачи h21Б и I21E- рассчитываемых как отношение выходного тока к входному в схемах ОБ и ОЭ, параметры h21б и h21э определяются как отношения изменений выходных токов к вызвавшим их изменениям входных токов. Иными словами, па­раметры h21б и h21э характеризуют усилительные свойства тран­зистора по току для переменных сигналов.

Параметры транзистора зависят от режима работы и частоты усиливаемых сигналов. Так, с увеличением частоты уменьшается абсолютное значение, или модуль, коэффициента передачи тока базы h21э. Модуль коэффициента h21э  обозначают | h21э  |. Частота  на которой  | h21э  |э  уменьшается в 0,707 раз по сравнению с его значением на низкой частоте, называется предельной  час­той   передачи   тока   базы fh21э.  Частота, на которой | h21э  |  уменьшается до 1, называется граничной fгр .

При работе биполярного транзистора на частотах, превышающих fh21э его усилительные свойства уменьшаются вплоть fгр. На частотах, пре­вышающих fгр, транзистор вообще не усиливает. Поэтому вели чины fh21э или fгр, позволяют судить о возможности работы тран­зистора в заданном диапазоне частот. По значению граничной частоты все транзисторы подразделяются на низкочастотные (fгр  ≤ 3 МГц), средней частоты  (3 МГц   ≤  fгр  ≤ 30 МГц)   и высокочастотные (fгр  ≥ 30 МГц). Транзисторы, у которых fгр  ≥ 300 МГц называют сверхвысокочастотными.

В справочниках по полупроводниковым приборам для биполярных транзисторов обычно указываются модуль коэффициента передачи тока базы | h21э  |и частота f, на которой определено его значение. По этим данным легко установить граничную частоту: fгр  = f | h21э  |.

 

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Leave a Reply

Spam Protection by WP-SpamFree

мой твиттер