біполярні транзистори

ТЕМА 4. біполярні транзистори

4.1 Пристрій і принцип дії

Біполярний транзистор - це напівпровідниковий прилад, що складається з трьох областей з чергуються типами електропровідності і придатний для посилення потужності.

Випускаються в даний час біполярні транзистори можна класифікувати за такими ознаками:

- за матеріалом: германієві і кремнієві;

- по виду провідності областей: типу р-n-р і npn;

- по потужності: малої (Рмах £ 0,3Вт), середньої (Рмах £ 1,5 Вт) і великої потужності (Рмах> 1,5 Вт);

- за частотою: низькочастотні, середньочастотні, високочастотні і СВЧ.

У біполярних транзисторах струм визначається рухом носіїв заряду двох типів: електронів і дірок (або основними і неосновними). Звідси їх назва - біполярні.

В даний час виготовляються і застосовуються виключно транзистори з площинними р-n- переходами.

Пристрій площинного біполярного транзистора показано схематично на рис. 4.1.

Він являє собою пластинку германію або кремнію, в якій створені три області з різною електропровідністю. У транзистора типу n-р-n середня область має дірковий, а крайні області - електронну електропровідність.

Транзистори типу р-n-р мають середню область з електронною, а крайні області з доречний електропровідністю.

Середня область транзистора називається базою, одна крайня область - емітером, інша - колектором. Таким чином в транзисторі є два р-n- переходу: емітерний - між емітером і базою і колекторний - між базою і колектором. Площа емітерного переходу менше площі колекторного переходу.

Емітером називається область транзистора призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду з бази. Базою є область, в яку инжектируются емітером неосновні для цієї області носії заряду.

Концентрація основних носіїв заряду в емітер у багато разів більше концентрації основних носіїв заряду в базі, а їх концентрація в колекторі дещо менше концентрації в емітер. Тому провідність емітера на кілька порядків вище провідності бази, а провідність колектора трохи менше провідності емітера.

Від бази, емітера і колектора зроблені висновки. Залежно від того, який з висновків є загальним для вхідний і вихідний ланцюгів, розрізняють три схеми включення транзистора: із загальною базою (ПРО), загальним емітером (ОЕ), загальним колектором (ОК).

Вхідні, або керуюча, ланцюг служить для управління роботою транзистора. У вихідний, або керованої, ланцюги виходять посилені коливання. Джерело підсилюються коливань включається у вхідний ланцюг, а в вихідну включається навантаження.

Розглянемо принцип дії транзистора на прикладі транзистора р-n-р-типу, включеного за схемою із загальною базою (рис. 4.2).

Малюнок 4.2 - Принцип дії біполярного транзистора (р-n-р-типу)

Зовнішні напруги двох джерел живлення Ее і Ек підключають до транзистора таким чином, щоб забезпечувалося зміщення емітерного переходу П1 в прямому напрямку (пряме напруга), а колекторного переходу П2 - в зворотному напрямку (зворотна напруга).

Якщо до колекторного переходу докладено зворотна напруга, а ланцюг емітера розімкнути, то в ланцюзі колектора протікає невеличкий зворотний струм Ікс (одиниці мікроампер). Цей струм виникає під дією зворотної напруги і створюється спрямованим переміщенням неосновних носіїв заряду дірок бази і електронів колектора через колекторний перехід. Зворотний струм по колу: + Ек, база-колектор, -Ек. Величина зворотного струму колектора не залежить від напруги на колекторі, але залежить від температури напівпровідника.

При включенні в ланцюг емітера постійної напруги Ее в прямому напрямку потенційний бар'єр емітерного переходу знижується. Починається інжектірованіе (впорскування) дірок в базу.

Зовнішнє напруга, прикладена до транзистора, виявляється прикладеним в основному до переходів П1 і П2, тому що вони мають великий опір в порівнянні з опором базової, емітерний і колекторної областей. Тому інжектовані в базу дірки переміщаються в ній за допомогою дифузії. При цьому дірки рекомбінують з електронами бази. Оскільки концентрація носіїв в базі значно менше, ніж в емітер, то рекомбинируют далеко не всі дірки. При малій товщині бази майже всі дірки будуть доходити до колекторного переходу П2. На місце рекомбинированного електронів в базу надходять електрони від джерела живлення Ек. Дірки, рекомбинированного з електронами в базі, створюють струм бази IБ.

Під дією зворотної напруги Ек потенційний бар'єр колекторного переходу підвищується, товщина переходу П2 збільшується. Але потенційний бар'єр колекторного переходу не створює перешкоди для проходження через нього дірок. Що увійшли в область колекторного переходу дірки потрапляють в сильне прискорює поле, створене на переході колекторним напругою, і екстрагуються (втягуються) колектором, створюючи колекторний струм Ік. Колекторний струм по колу: + Ек, база-колектор, -Ек.

Таким чином, в транзисторі протікає три струму: струм емітера, колектора і бази.

В проводі, що є висновком бази, струми емітера і колектора спрямовані зустрічно. Отже, струм бази дорівнює різниці струмів емітера і колектора: IБ = IЕ - IК.

Фізичні процеси в транзисторі типу n-р-n протікають аналогічно процесам в транзисторі типу р-n-р.

Повний струм емітера IЕ визначається кількістю інжектованих емітером основних носіїв заряду. Основна частина цих носіїв заряду досягаючи колектора, створює колекторний струм Ік. Незначна частина інжектованих в базу носіїв заряду рекомбінують в базі, створюючи струм бази IБ. Отже, струм емітера розділяться на струми бази і колектора, тобто IЕ = Іб + Ік.

Струм емітера є вхідним струмом, струм колектора - вихідним. Вихідний струм становить частину вхідного, тобто

(4.1)

де a- коефіцієнт передачі струму для схеми ПРО;

Оскільки вихідний струм менше вхідного, то коефіцієнт a <1. Він показує, яка частина інжектованих в базу носіїв заряду досягає колектора. Зазвичай величина a становить 0,95¸0,995.

У схемі з загальним емітером вихідним струмом є струм колектора, а вхідним - струм бази. Коефіцієнт посилення по струму для схеми ОЕ:

(4.2)

але

тоді

(4.3)

Отже, коефіцієнт посилення по току для схеми ОЕ становить десятки одиниць.

Вихідний струм транзистора залежить від вхідного струму. Тому транзістор- прилад, керований струмом.

Зміни струму емітера, викликані зміною напруги емітерного переходу, повністю передаються в колекторний ланцюг, викликаючи зміну струму колектора. А тому напруга джерела колекторного живлення Ек значно більше, ніж емітерного Ее, то і потужність, споживана в ланцюзі колектора Рк, буде значно більше потужності в ланцюзі емітера Ре. Таким чином, забезпечується можливість управління великою потужністю в колекторної ланцюга транзистора малою потужністю, що витрачається в емітерний ланцюга, тобто має місце посилення потужності.

4.2 Схеми включення біполярних транзисторів

В електричне коло транзистор включають таким чином, що один з його висновків (електрод) є вхідним, другий - вихідним, а третій - загальним для вхідний і вихідний ланцюгів. Залежно від того, який електрод є загальним, розрізняють три схеми включення транзисторів: ПРО, ОЕ і ОК. Ці схеми для транзистора типу р-n-р приведені на рис. 4.3. Для транзистора n-р-n в схемах включення змінюються лише полярності напруг і напрямок струмів. При будь-якій схемі включення транзистора (в активному режимі) полярність включення джерел живлення повинна бути обрана так, щоб емітерний перехід був включений в прямому напрямку, а колекторний - у зворотному.

Малюнок 4.3 - Схеми включення біполярних транзисторів: а) ПРО; б) ОЕ; в) ОК

4.3 Статичні характеристики біполярних транзисторів

Статичним режимом роботи транзистора називається режим при відсутності навантаження в вихідний ланцюга.

Статичними характеристиками транзисторів називають графічно виражені залежності напруги і струму вхідного ланцюга (вхідні ВАХ) і вихідний ланцюга (вихідні ВАХ). Вид характеристик залежить від способу включення транзистора.

4.3.1 Характеристики транзистора, включеного за схемою ПРО

Вхідний характеристикою є залежність:

IЕ = f (UЕБ) при UКБ = const (рис. 4.4, а).

Вихідний характеристикою є залежність:

ІК = f (UКБ) при IЕ = const (рис. 4.4, б).

а) б)

Малюнок 4.4 - Статичні характеристики біполярного транзистора, включеного за схемою ПРО

Вихідні ВАХ мають три характерні області: 1 - сильна залежність Ік від UКБ (нелінійна початкова область); 2 - слабка залежність Ік від UКБ (лінійна область); 3 - пробій колекторного переходу.

Особливістю характеристик в області 2 є їх невеликий підйом при збільшенні напруги UКБ.

4.3.2 Характеристики транзистора, включеного за схемою ОЕ:

Вхідний характеристикою є залежність:

IБ = f (UБЕ) при UКЕ = const (рис. 4.5, б).

Вихідний характеристикою є залежність:

ІК = f (UКЕ) при Іб = const (рис. 4.5, а).

а) б)

Малюнок 4.5 - Статичні характеристики біполярного транзистора, включеного за схемою ОЕ

Транзистор в схемі ОЕ дає посилення по току. Коефіцієнт посилення по струму в схемі ОЕ: Якщо коефіцієнт a для транзисторів a = 0,9¸0,99, то коефіцієнт b = 9¸99. Це є найважливішою перевагою включення транзистора по схемі ОЕ, ніж, зокрема, визначається більш широке практичне застосування цієї схеми включення в порівнянні зі схемою ПРО.

З принципу дії транзистора відомо, що через висновок бази протікають в зустрічному напрямку дві складові струму (рис. 4.6): зворотний струм колекторного переходу IКО і частина струму емітера (1 - a) IЕ. У зв'язку з цим нульове значення струму бази (ІБ = 0) визначається рівністю зазначених складових струмів, тобто (1 - a) IЕ = IКО. Нульового вхідного току відповідають струм емітера IЕ = IКО / (1-a) = (1 + b) IКО і струм колектора . Іншими словами, при нульовому струмі бази (ІБ = 0) через транзистор в схемі ОЕ протікає струм, званий початковим або наскрізним струмом IКО (Е) і рівним (1+ b) IКО.

Малюнок 4.6 - Схема включення транзистора із загальним емітером (схема ОЕ)

4.4 Основні параметри

Для аналізу і розрахунку ланцюгів з біполярними транзисторами використовують так звані h - параметри транзистора, включеного за схемою ОЕ.

Електричне стан транзистора, включеного за схемою ОЕ, характеризується величинами IБ, IБЕ, IК, UКЕ.

У систему h - параметрів входять наступні величини:

1. Вхідний опір

h11 = DU1 / DI1 при U2 = const. (4.4)

являє собою опір транзистора змінному вхідному струмі при якому замикання на виході, тобто при відсутності вихідного змінної напруги.

2. Коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі:

h12 = DU1 / DU2прі I1 = const. (4.5)

показує, яка частка вхідної змінної напруги передається на вхід транзистора внаслідок зворотного зв'язку в ньому.

3. Коефіцієнт зусилля по току (коефіцієнт передачі струму):

h21 = DI2 / DI1прі U2 = const. (4.6)

показує посилення змінного струму транзистором в режимі роботи без навантаження.

4. Вихідна провідність:

h22 = DI2 / DU2 при I1 = const. (4.7)

є провідність для змінного струму між вихідними затискачами транзистора.

Вихідний опір Rвих = 1 / h22.

Для схеми із загальним емітером справедливі наступні рівняння:

(4.8)

де

Для запобігання перегріву колекторного переходу необхідно, щоб потужність, що виділяється в ньому під час проходження колекторного струму, не перевищувала деякої максимальної величини:

(4.9)

Крім того, існують обмеження по колекторного напруги:

і колекторного струму:

4.5 Режими роботи біполярних транзисторів

Транзистор може працювати в трьох режимах залежно від напруги на його переходах. При роботі в активному режимі на емітерний перехід напруга пряме, а на колекторному - зворотне.

Режим відсічення, або замикання, досягається подачею зворотної напруги на обидва переходу (обидва р-n- переходу закриті).

Якщо ж на обох переходах напруга пряме (обидва р-n- переходу відкриті), то транзистор працює в режимі насичення.

У режимі відсічення і режимі насичення управління транзистором майже відсутня. В активному режимі таке управління здійснюється найбільш ефективно, причому транзистор може виконувати функції активного елементу електричної схеми (посилення, генерування і т.п.).

4.6 Область застосування

Біполярні транзистори є напівпровідниковими приладами універсального призначення і широко застосовуються в різних підсилювачах, генераторах, в імпульсних і ключових пристроях.

4.7 Найпростіший підсилювальний каскад на біполярному транзисторі

Найбільше застосування знаходить схема включення транзистора по схемі із загальним емітером (рис. 4.7)

Основними елементами схеми є джерело живлення Ек, керований елемент - транзісторVT і резистор Rк. Ці елементи утворюють головну (вихідну) ланцюг підсилювального каскаду, в якій за рахунок протікання керованого струму створюється посилене змінну напругу на виході схеми.

Інші елементи виконують допоміжну роль. Конденсатор Ср є розділовим. При відсутності цього конденсатора в ланцюзі джерела вхідного сигналу створювався б постійний струм від джерела живлення Ек.

Малюнок 4.7 - Схема найпростішого підсилювального каскаду на біполярному транзисторі за схемою з загальним емітером

Резистор RБ, включений в ланцюг бази, забезпечує роботу транзистора в режимі спокою, тобто за відсутності вхідного сигналу. Режим спокою забезпечується струмом бази спокою IБ »Ек / RБ.

За допомогою резистора Rк створюється вихідна напруга, тобто Rк виконує функцію створення змінюється напруги в вихідний ланцюга за рахунок протікання в ній струму, керованого по ланцюгу бази.

Для колекторної ланцюга підсилювального каскаду можна записати наступне рівняння електричного стану:

Ек = Uке + IкRк, (4.10)

тобто сума падіння напруги на резисторі Rк і напруги колектор-емітер Uке транзистора завжди дорівнює постійній величині - ЕРС джерела живлення Ек.

Процес посилення грунтується на перетворенні енергії джерела постійної напруги Ек в енергію змінного напруги в вихідний ланцюга за рахунок зміни опору керованого елемента (транзистора) згідно із законом, що задається вхідним сигналом.

При подачі на вхід підсилювального каскаду змінної напруги Uвх в базовій ланцюга транзистора створюється змінна складова струму IБ ~, а значить струм бази буде змінюватися. Зміна струму бази призводить до зміни значення струму колектора (ІК = bIБ), а значить, до зміни значень напруг на опорі Rк і Uке. Підсилювальні здатності обумовлені тим, що зміна значень струму колектора в b разів більше, ніж струму бази.

4.8 Розрахунок електричних ланцюгів з біполярними транзисторами

Для колекторної ланцюга підсилювального каскаду (рис. 4.7) відповідно до другого закону Кирхгофа справедливо рівняння (4.10).

Вольт - амперна характеристика колекторного резистора RК є лінійної, а вольт - амперні характеристики транзистора являють собою нелінійні колекторні характеристики транзистора (рис. 4.5, а), включеного за схемою ОЕ.

Розрахунок такий нелінійної ланцюга, тобто визначення IK, URK і UКЕ для різних значень струмів бази Іб і опорів резистора RК можна провести графічно. Для цього на сімействі колекторних характеристик (рис. 4.5, а) необхідно провести з точки ЄК на осі абсцис вольт - амперна характеристику резистора RК, що задовольняє рівняння:

Uке = Ек - RкIк. (4.11)

Цю характеристику будують за двома точками:

Uке = Ек при Ік = 0 на осі абсцис і Ік = Ек / Rк при Uке = 0 на осі ординат. Побудовану таким чином ВАХ колекторного резистора Rк називають лінією навантаження. Точки перетину її з колекторними характеристиками дають графічне рішення рівняння (4.11) для даного опору Rк і різних значень струму бази Іб. За цим точкам можна визначити колекторний струм Ік, однаковий для транзистора і резистора Rк, а також напруга UКЕ і URK.

Точка перетину лінії навантаження з однієї з статичних ВАХ називається робочою точкою транзистора. Змінюючи IБ, можна переміщати її по навантажувальної прямої. Початкове положення цієї точки при відсутності вхідного змінного сигналу називають точкою спокою - Т0.

а) б)

Малюнок 4.8 - Графоаналитический розрахунок робочого режиму транзистора за допомогою вихідних і вхідних характеристики.

Точка спокою (робоча точка) Т0 визначає струм Iкп і напруга UКЕП в режимі спокою. За цим значенням можна знайти потужність РКП, що виділяється в транзисторі в режимі спокою, яка не повинна перевищувати граничної потужності РК мах, що є одним з параметрів транзистора:

РКП = Iкп × UКЕП £ РК мах. (4.12)

У довідниках зазвичай не наводиться сімейство вхідних характеристик, а даються лише характеристики для UКЕ = 0 і для деякого UКЕ> 0.

Вхідні характеристики для різних UКЕ, що перевищують 1В, розташовуються дуже близько один до одного. Тому розрахунок вхідних струмів і напруг можна наближено робити по вхідний характеристиці при UКЕ> 0, взятої з довідника.

На цю криву переносяться точки А, То і Б вихідний робочої характеристики, і виходять точки А1, Т1 і Б1 (рис. 4.8, б). Робоча точка Т1 визначає постійна напруга бази UБЕП і постійної струм бази Iбп.

Опір резистора RБ (забезпечує роботу транзистора в режимі спокою), через який від джерела ЄК буде подаватися постійна напруга на базу:

(4.13)

В активному (усилительном) режимі точка спокою транзистора Те знаходиться приблизно посередині ділянки лінії навантаження АБ, а робоча точка не виходить за межі дільниці АБ.