біполярні транзистори

Курс: Комп'ютерна системотехніка

Тема: Біполярні транзистори

1. Біполярні транзистори

Визначення.

Транзістор- ППП з 3-ма електродами, службовець для посилення сигналів (в загальному випадку по потужності) або їх перемикання.

2. Типи біполярних транзисторів і їх діодні схеми заміщення

Розрізняють кремнієві (рис.1) і германієві транзистори (рис.2).

Рис.1. Рис.2.

На рис.1 і 2 показані умовні графічні позначення кремнієвих (npn) і германієвих (pnp) транзисторів і відповідні їм діодні схеми заміщення.

Транзистор складається з двох протилежно включених діодів, які володіють одним загальним n - або p - шаром. Електрод пов'язаний з ним називається базою (Б). Давши інших електрода називаються емітером (Е) і колектором (К). Диодная еквівалентна схема, наведена поряд з його графічним позначенням, пояснює структуру включення переходів транзистора. Хоча ця схема не характеризує повністю функції транзістoра, але вона дає можливість представляти діючі в ньому зворотні і прямі струми і напруги.

3. Фізичні явища в транзисторах

Емітерна область транзистора є джерелом носіїв заряду, а область уловлює ці носії заряду називається колектрів. Область, яка управляє потоком цих носіїв, називається базою.

При підключенні прямого напруги між емітером і базою відбувається інжекція носіїв зарядів через відкритий (зміщений в прямому напрямку) перехід Е-Б, тобто перехід їх з області емітера в область бази.

Таким чином утворюється емітерний струм (Iе) через відповідний перехід (ЕП емітерний перехід).

Як відомо, при "доречний" провідності типу "p" основними носіями заряду є "дірки", а неосновними - електрони. Частина "дірок" прийшли в базову область рекомбинируют в електрони, з'являється струм бази (Іб), який дуже малий у порівнянні стоком емітера, так як тільки мала частина інжектованих "дірок" (носіїв заряду) рекомбинирует.

Між колектором і базою прикладається зворотна напруга, тому говорять що носії заряду з області бази екстрагуються (втягуються) в колекторну область і за рахунок цього утворюється струм колектора (Ік).

Таким чином, на підставі наведених вище міркувань можна записати наступні прості співвідношення між струмами емітера, бази і колектора:

Iе = Іб + Ік (1); Іб <

Ік = a × Iе ®a = Ік / Iе »(0,9¸0,99) <1 (4);

Ік = a × Iе + Iкбо (5),

де a × Iе - керований струм, Iкбо - некерований (зворотний) струм, що протікає через перехід Б-К в напрямку протилежному прямому струму Ік через цей перехід.

Ік = b × Іб ®b = Ік / Іб (6);

Ік = b × Іб + Iкбо;

Uб »Uе - Uеб (7);

b = a / 1 - a (8);

4. Подача напруги живлення

Зазвичай перехід Е-Б зміщений в прямому напрямку, а К-Б - в зворотному. Тому джерела напруги живлення транзисторів повинні бути включені, як показано на рис.3 і

рис.3 Рис.4

Основна особливість транзисторів полягає в тому, що колекторний струм Ік є кратним базового струму Iб. Їхнє ставлення b = Ік / Іб називають коефіцієнтом посилення по току.

5. Схеми включення і статичні параметри

Існують три основні схеми включення транзисторів:

1) - ОЕ

2) - ПРО

3) - ОК

1) Схема із загальним емітером застосовується найбільш часто.

У цій схемі керуюча напруга прикладається до ділянки Б-Е, вихідний сигнал знімається з резистора навантаження, включеного в колекторний ланцюг (потенціал емітера фіксований).

Рис.5. Включення транзистора по схемі з ОЕ (а) і еквівалентна схема (б) для даного випадку.

Вольт - амперні характеристики і режими роботи транзистора в даному випадку наведені на рис.5.2.

Вхідні характеристики наведені на рис.6, вихідні - на ріс.6б.

а) б)

Рис.6. Вхідні і вихідні вольт - амперні характеристики транзистора включеного за схемою з ОЕ.

На сімействі вихідних характеристик виділяють три області:

1) Область лінійного посилення;

2) Область наищенія:

3) Область відсічення.

Відповідно до цього транзистор може працювати в трьох режимах.

¨ В області лінійного посилення, збільшення струму бази призводить до пропорційної зміни струму колектора, при цьому динамічний опір ділянки К-Е прагне до ¥

rке = vUк / vIк;

¨ В області насичення, зміна струму колектора не приводить до істотної зміни напруги на колекторі. Дінамічнское опір ділянки К-Е прагне до 0.

¨ В області відсічення Ік = Iкбо »0. Динамічний опір опір ділянки К-Е прагне до ¥.

Величина Ік зверху обмежена допустимою потужністю, що розсіюється на ділянці К-Е. Перевищення граничного струму Ік max веде до руйнування транзистора, тому необхідно забезпечити схемні засоби обмеження Ік. У найпростішому випадку це резистор в колекторної (або емітерний) ланцюга фіксує струм колектора на рівні Ік max = Eп / Rк. Але, в цьому випадку, потенціал колектора змінюється при зміні струму колектора (тобто Uк = f (Ік)). Ця залежність визначається так званої нагрузчной прямий, відтинає на осях координат два відрізки:

1) на осі абсцис напруга живлення Еп при Ік = 0;

2) на осі ординат Ік max = Eп / Rк.

Перетин навантажувальної прямої і вихідної характеристики при конкретному струмі бази дає, так звану, робочу точку.

Т.ч. транзистор може працювати в одному з наступних режимів (для npn):

1) нормальний активний режим: Uбе> 0, Uкб> 0

2) інверсний активний режим: Uбе <0, Uкб <0

3) режим насичення: Uбе> 0, Uкб <0

4) режим відсічення: Uбе <0, Uкб> 0

Нормальний активний режим.

В цьому режимі перехід Б-Е зміщений в прямому напрямку, а Б-К - в зворотному.

При аналізі основних схем включення транзисторів (тут ОЕ, а далі ПРО і ОК) скористаємося спрощеним (еквівалентним) поданням біполярного транзистора для низьких частот, зображеному на рис.5. б.

Вхідна ланцюг представлена ​​динамічним вхідним опором rбе, а в колекторної ланцюга використаний керований джерело струму колектора (Ік = S × Uбе),

де

При цьому внутрішнє динамічний опір включено паралельно цьому джерелу струму, як і випливає з теорії електричних ланцюгів (Теорема Тевере про еквівалентному генераторі). При визначенні основних характеристик і параметрів схеми тут і далі будемо вважати, що ідеальні джерела напруги харчування (Еп) і вхідного сигналу (Uвх).

струм колектора

1) Ік = a / 1 - a × Іб + 1/1 - a × Iкбо = b × Іб + (1 + b) × Iкбо »b × Іб,

де: a- коефіцієнт передачі по току (тобто коефіцієнт передачі струму з емітерний ланцюга в колекторну) в схемі з ОЕ. Т. к. B >> 1, то в схемі з ОЕ можливе посилення по току (тому, що Іб <

2) Струм бази закритого транзистора. При Uбе = 0 (транзистор закритий) Іб »Iкбо, тобто з бази випливає ток, "зворотного тепловому току переходу К-Б.

3) Вхідний опір

Тоді струм бази, який також залежить і від Uбе можна приблизно визначити так:

Іб = Ік × b, де b = h _{21 е}

4) Коефіцієнт підсилення по напрузі

5) Коефіцієнт посилення по току

6) Вихідний опір

режим насичення

В цьому режимі обидва переходу зміщені в прямому напрямку.

Зовнішнім проявом режиму насичення є відсутність залежності Ік від Іб. Для схеми з ОЕ існує деякий "граничний" ток Iбн, при якому досягається насичення колекторного струму

Iкн = b × Iбн

При подальшому збільшенні струму бази струм колектора не збільшується і може бути введений певний коефіцієнт, що характеризує:

1) Ступінь насичення

N = Іб / Iбн Þ Iкн = N × Ік

2) Вхідний опір

Rвх _н = Rвх / b,

де Rвх - вхідний опір в активній лінійної області.

3) Вихідна напруга

U вих = Uкен »Uбе

Це так зване залишкове напруга на ділянці К - Е, слабо залежить від величини колекторного струму.

4) Вихідний опір

Rвих »rке» Rвих / b »Rк / b,

де Rвих - вихідний опір в активній лінійної області.

режим відсічення

В цьому режимі обидва переходу зміщені у зворотному напрямку.

1) Iе »0

2) Ік »Iкбо

3) Іб »- Iкбо

Кордоном режиму відсічення є зворотна напруга (напруга відсічення) на переході Б-Е (Uбе _обр), при якому Iе = 0!

У більшості цифрових схем Uбе _обр таке, при якому Іб зменшується в 100-200 разів !!

2) Схема із загальною базою

У цій схемі керуюча напруга прикладається до ділянки Е-Б, а вхідний сигнал знімається з резистора навантаження, вкюченного в колекторний ланцюг. Потенціал бази при цьому фіксований, а потенціал Е повинен бути менше потенціалу Б, якщо перехід Б-Е зміщений в прямому напрямку.

а) б)

рис.7

На рис.7 показана схема включення транзистора з ПРО і її еквівалентна схема на низьких частотах.

Вольт - амперна характеристика і режими роботи

а) б)

Рис.8 Вхідні а) і вихідні б) характеристики.

Нормальний активний режим.

У цьому режимі, як і в схемі з ОЕ, перехід Б-Е зміщений в прямому напрямку, перехід К-Б в - зворотному.

1) Ік = a × Iе + Iко (e ^{Uкб / Uт} -1) = a × Iе + Iкбо »a × Iе

Т. к. A <1, то посилення по току в такій схемі неможливо Ік = b × Іб.

2)

3) Ki = a »1

4) Rвх »rбе / ÙUвх / Ù Iвх, тобто в b разів менше ніж всхеме з ОЕ !!

5)

,

тобто таке ж як і в схемі з ОЕ.

режим насичення

в даній схемі можливо тільки при Uк

3) Схема із загальним колектором

Це по суті окремий випадок схеми з ОЕ при Rк = 0! Тому, практично всі співвідношення для струмів транзистора і потенціалів на його переходах, характерні для схеми з ОЕ, можуть бути застосовний і в даному випадку.

У цій схемі керуюча напруга докладено до ділянки Б-Е, вихідний сигнал знімається з резистора навантаження, включеного в емітерний ланцюг. Потенціал колектора при цьому фіксований!

Причому, в цій схемі, також як і в схемі з ПРО, відсутній режим насичення, оскільки потенціал колектора ніколи не може бути нижче потенціалу бази !!

Параметри схеми в режимі відсічення аналогічні таким в схемі з ОЕ !!

На рис.8 наведені схема включення і її еквівалентна схема.

рис.8

1)

2)

3) Rвх = rбе + b × Rе, тобто у багато разів більше ніж Rвх в схемах з ОЕ та ОБ! (Десятки і сотні кОм).

4)

Т. е. Така схема має високий Ki, мале Rвих і велике Rвх !!

6. h і Y параметри транзисторів

Транзистор можна розглядати як чотириполюсник де

Uвх = U _1, Iвх = I _1, U вих = U _2, Iвих = I _2.

h _{11 е} = ÙUбе / ÙIбе ÷ Uк = const = Rвх

h _{12 е} = ÙUбе / ÙUк ½Iб = const -

коефіцієнт внутрішньої ОС (дуже мала величина, якої в інженерній практиці нехтують і приймають = 0)

h _{21 е} = ÙIк / ÙIб ½Iб = const = b

h _{22 е} = ÙIк / ÙUк ½Iб = const -

Вихідна провідність

([Сіменс] = 1 / Ом)

Rвих = 1 / h _22е

В даний час для практичних розрахунків h і y параметри практично не використовуються!

7. Вплив температури на статистичні характеристики транзистора. динамічні параметри

Це параметри, які спільно з такими ж параметрами інших компонентів схеми визначають вид АЧХ лінійної схеми або характер перехідних процесів в ключових схемах.

Частотні властивості транзистора в активному режимі визначаються:

інерційністю процесів поширення рухливих носіїв в транзисторної структурі (в основному на базі);

наявністю ємностей переходів (зокрема бар'єрної ємністю колекторного переходу) і кінцевим значенням внутрішніх опорів;

ефектами накопичення і розсіювання зарядів.

Зазвичай, для спрощення аналізів динамічних процесів, більшу частину джерел інерційності процесів в транзисторі зводяться до еквівалентним ємностей (залежних, в загальному випадку, від напруги і частоти). За рахунок цього отримують досить прості еквівалентні схеми транзистора на змінному струмі, наведені на рис.5.6.

Рис.9. Еквівалентні схеми для активного режиму а) і режиму відсічення б).

Коефіцієнт передачі по струму може бути представлений характеристикою ФНЧ першого порядку

,

де w _b - частота зрізу.

У тимчасовій області ця залежність має вигляд:

,

де t _b = 1 / w _b - постійна часу зміни коефіцієнта передачі по току.

Граничною частотою посилення (або "частотою одиничного посилення") називають частоту, при якій модуль коефіцієнта посилення зменшується до

У практичних в розрахунках використовується співвідношення

w _гр = _b × w b

t _a = t _b / (1 + b) або t _b = (1 + b) t _a »b × t _a,

де t _a = 1 / 2pf _a, f _a - гранична частота посилення для схеми з ОЕ, яка наводиться зазвичай в довідкових даних!

Крім f _a в довідкових даних приводяться значення t _a і t _b, а також величини ємностей емітерного (С ^* _ЕО) і колекторного (С ^* _ко) переходів при Uкб = 0, Uеб = 0, Uкк і Uек - контактна різниця потенціалів переходів До -Б і Е-Б.

Особливості перехідних процесів в ключовому режимі роботи транзистора включеного, наприклад, за схемою з ОЕ полягає в наявності часу розсмоктування заряду неосновних носіїв, накопиченого в базі при протіканні струму в відритому і насиченому стані. Причому, зі збільшенням Iкн збільшується tр!

Ік (t) = b (t) × Іб

Iкн = b _про × Iбн ® Iбн = S × Iбо

9. Гранично допустимі параметри

1) Uеб _обр - електричний (Зенеровскій) або тепловий пробій переходу Б-Е

2) Uкб _обр

Це max допустимі зворотні напруги на переходах Е-Б і К-Б. причому,

Uеб _{обр обр} (іноді в 2 рази!)

3) Uке _max

4) Pр _max - максимально допустима розсіює потужність

Pр »Uке × Ік

У паспорті зазвичай вказується Pр _max при температурі корпусу, що дорівнює 25 ° ^С Зі збільшенням t ^о С необхідно зменшення Pр нижче Pр _max!

література

1. Волович Г.І. Схемотехніка аналогових та аналого-цифрових електронних пристроїв. М., 2005. - 530с.

2. Лисенко А.П. Статичний коефіцієнт передачі струму бази транзистора і його залежність від режиму і температури. Навчальний посібник - Московський державний інститут електроніки і математики. М., 2005. - 29 с.

3. Нефедов А.В. Інтегральні мікросхеми і їхні закордонні аналоги. Довідник. Том 1. Видавництво: РадиоСофт, 2000. - 512с.

4. Пєтухов В.М. Біполярні транзистори середньої та великої потужності надвисокочастотні і їхні закордонні аналоги. Довідник. Том 4. Видавництво: кубки-а, 1997. - 544с.

5. чіжми С.Н. Основи схемотехніки. СПб., 2008. - 424с.