Статические характеристики биполярного транзистора

4.3. Применение мдп-транзисторов

+Uп

Rc

R1
C2

VT1 Rн

UвхC1

R2

Усилитель напряжения на транзисторе
с индуцированным каналом.

Делитель R1,R2
задает начальное напряжение на затвореUЗ.И.О., которое
обеспечивает точку покоя. При наличии
сопротивления в цепи стока напряжение
сток-исток:

UСИ=UП
–IсRс– это уравнениелинии нагрузки.

Ic
Ic

Icm
Rc||RН

Rc

IСО
0 UЗИ.О

UЗИО
UЗИ UСИО
UСИ

0 UЗ.И.ПОР
0

UЗИ.m
UСИ.m

UП

Приращение тока Icвызывает приращение напряжения на
стоке:

UСИ=
Ic(Rc||Rн)

А величина Icсогласно уравнению четырехполюсника

Ic=SUЗИ+GСИUСИ

Совместное решение дает

UСИ=
S(Rc||RН)
UЗИ
/
(1+
RCGСИ)

Таким образом, коэффициент усиления

КU=UСИUЗИ=
S(RC||RН)/(1+(RC||RН)GСИ)

Если GСИмала,Ku
S(RC||RН)

Устройство биполярного транзистора.

И, первым делом, мы рассмотрим устройство биполярного транзистора и химические процессы, протекающие в нем. И в этом нам очень поможет статья о p-n переходе (ссылка), поскольку ключевые понятия мы будем использовать те же самые. Ведь транзистор есть ни что иное как три полупроводниковые области, которые формируют между собой два p-n перехода.

Кстати транзистор называется биполярным, потому что в переносе заряда участвуют и дырки, и электроны.

Итак, биполярный транзистор состоит из 3-х полупроводниковых областей. Причем тип примесной проводимости у этих областей чередуется:

  • p-n-p или
  • n-p-n

То есть мы получаем два вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p. Давайте дальше все обсуждение строить на примере n-p-n транзисторов, суть для p-n-p будет такой же:

Называются эти три полупроводниковые области:

  • эмиттер
  • база
  • коллектор

Тип проводимости эмиттера и коллектора одинаковый, но технологически они отличаются довольно значительно. Во-первых, общая область перехода база-эмиттер намного меньше общей области перехода база-коллектор. Зачем так сделано мы разберемся чуть позже. И, во-вторых, область коллектора содержит намного меньше примесей, чем область эмиттера.

5.1. Общие сведения об электронных усилителях

Усилители предназначены для повышения
мощности входного сигнала. Маломощный
входной сигнал управляет передачей
энергии от источника питания на нагрузку
с помощью активных элементов.
Активные элементы: транзисторы (биполярные
или полевые), электронные лампы.Линейныеусилители служат для усиления электрических
сигналов (колебаний напряжения или
тока) без искажения их формы.

Усилитель можно рассматривать как
активный четырехполюсник, к входным
зажимам которого подключается источник
сигнала (генератор напряжения или тока),
а к выходным – нагрузка. Часто (но не
всегда) источник сигнала и нагрузка
имеют общую точку (“землю”).

Источником сигнала и нагрузкой может
служить и один усилитель для другого
усилителя.

Со стороны выхода усилитель можно
представить либо как управляемый
генератор напряжения, либо как управляемый
источник тока:

Сложный усилитель состоит из отдельных
ступеней — каскадов, включенных
последовательно. Каждый каскад отвечает
специфичным требованиям. Особо выделяютвходной,выходной, иногдапредоконечный каскады.

Многокаскадные усилители различаются
способами связи между каскадами, а также
с источником сигнала и нагрузкой:

  1. Усилители с емкостной связью (или
    RC-связью) — для передачипеременногонапряжения.

  2. Усилители с трансформаторной связью
    — также для усиления переменного
    напряжения.

  3. Усилители с непосредственной
    (гальванической) связью — для усиления
    очень медленных изменений напряжения
    или тока. Это — усилители постоянноготока.

Широко применяются усилители с
обратной связью, в которых часть энергии
с выхода усилителя подается на вход.

Схемы задания рабочего режима для полевых транзисторов

В зависимости от
того, какой из электродов полевого
транзистора в усилительной схеме
является общим для входной и выходной
цепей, используются схемы: с общим
затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и общим
стоком (ОС). Наиболее распространенной
является схема с ОИ, аналогичная схеме
включения биполярного транзистора с
ОЭ (смотреть рисунок 3.9). Схема с общим
стоком (истоковый повторитель) аналогична
эмиттерному повторителю (смотреть
рисунок 4.1).

На практике питание
схем осуществляется от одного общего
источника напряжения. При подаче питания
на полевые транзисторы с
управляющим
p–n переходом, для которых стоковое
напряжение и напряжение на затворе
должны быть разного знака, необходимое
напряжение на затворе может быть создано
с помощью цепочки автоматического
смещения RиCи,
включенной в цепь истока (рис. 4.14).

Полевые транзисторы
с индуцированным каналом, у которых
стоковое напряжение и напряжение на
затворе имеют одинаковую полярность,
смещение на затвор подается обычно с
помощью делителя напряжений R1
и R3(рис.
4.15).

Схемы включения

Для характеристики включающей транзисторной схемы применяются два значимых показателя:

  • Величина коэффициента фиксирующего усиление по току, которое вычисляется через отношение тока выхода (Iвых) к току входа (Iвх);
  • Значение входного сопротивления (Rвх), которое вычисляется через отношение входного напряжения (Uвх) к току входа (Iвх).

Включение с общей базой (ОБ)

Рис.4: Усилитель с ОБ

Характеристика:

  • Вариант схемы, при котором уровень сопротивления на входе является самым низким, а выходе – самым высоким;
  • По α (коэффициенту усиления по току) приближается к 1;
  • Обладает большим Кu (коэффициентом усиления по напряжению);
  • Не происходит инвертации фазы сигнала.

Для определения коэффициента α необходимо вычислить отношение тока коллектора к току эмиттера (иначе – отношение тока выхода к току входа).

Для определения входного сопротивления Rвх следует вычислить соотношение входного напряжения и входного тока (иначе – соотношение напряжения на переходе Э-Б и эмиттерного тока). Значение этого параметра для схем с ОБ достигает максимум 100 Ом (в биполярном транзисторе малой мощности).

Минусы применения схем включения с ОБ

  • Незначительная степень усиления по току (поскольку, значение коэффициента α не достигает единицы);
  • Низкий уровень входного сопротивления;
  • Работа обеспечивается двумя разными источниками напряжения.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

Характеристика:

  • Ток на выходе соответствует току коллектора;
  • Ток на входе соответствует току базы;
  • Напряжение на входе соответствует напряжению на Б-Э переходе;
  • Напряжение на выходе соответствует напряжению на К-Э переходе.

Вычислить коэффициент β (усиление по току) для данной схемы можно, через отношение тока выхода к току входа (тока коллектора к току базы; тока коллектора к разности эмиттерного и коллекторного токов).

Для определения входного сопротивления (Rвх) высчитывается отношение напряжения на входе к току на входе (напряжения на Б-Э переходе к току на базе).

Плюсы применения схем включения с ОЭ

  • Большое значение коэффициента β;
  • Большое значение коэффициента усиления по напряжению;
  • Самый высокий уровень усиления мощности;
  • Задействуется только один источник питания;
  • Происходит инвертация выходного напряжения (по отношению к входному).

Плюсы применения схем включения с ОЭ

Температурное и частотное значение гораздо ниже относительно схем включения с ОБ.

Включение с общим коллектором (ОК)

Характеристика:

  • Ток на выходе соответствует току на эмиттере;
  • Ток на входе соответствует величине тока в области базы;
  • Напряжение на входе соответствует напряжению на Б-К переходе;
  • Напряжение на выходе соответствует напряжению на К-Э переходе.

Вычисление β показателя осуществляется через отношение тока на выходе к току на входе (тока в области эмиттера к току в области базы; тока эмиттерной области к разнице Э и К тока).

Величина сопротивления на входе определяется по отношению напряжения на входе к току на входе (отношению суммы напряжений на Б-Э и К-Э переходах к токовому показателю на базе).

Схема с данным типом подключения носит название эмиттерного повторителя.

Плюсы эксплуатации схем включения с ОК

  • Значительный уровень сопротивления на входе;
  • Низкий уровень сопротивления на выходе.

Минусы эксплуатации схем включения с ОК

Величина показателя, характеризующего усиление по напряжению, не достигает единицы.

Что такое биполярный транзистор

Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую). По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт). Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы, транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку.

В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер.

Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб+Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк=α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер.

В широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β=α/(1-α)=(10-1000). Т.о. изменяя малый ток базы можно управлять значительно большим током коллектора.

Биполярный транзистор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполняется на пластине кремния, либо германия, либо другого полупроводника, в которой созданы три области с различными типами электропроводности.

Средняя область называется базой, одна из крайних областей – эмиттером, другая – коллектором. Соответственно в транзисторе два p-n-перехода: эмиттерный – между базой и эмиттером и коллекторный – между базой и коллектором.

Область базы должна быть очень тонкой, гораздо тоньше эмиттерной и коллекторной областей (на рисунке это показано непропорционально). От этого зависит условие хорошей работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. В режиме отсечки на оба перехода подано обратное напряжение. Если на эти переходы подать прямое напряжение, то транзистор будет работать в режиме насыщения.

Типы биполярных транзисторов.

Режимы работы

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе (UE,UB,UC{\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}}) Смещениеперехода база-эмиттердля типа n-p-n Смещение перехода база-коллектордля типа n-p-n Режим для типа n-p-n
UE<UB<UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}} прямое обратное нормальныйактивный режим
UE<UB>UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}} прямое прямое режим насыщения
UE>UB<UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}} обратное обратное режим отсечки
UE>UB>UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}} обратное прямое инверсныйактивный режим
Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе (UE,UB,UC{\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}}) Смещениеперехода база-эмиттердля типа p-n-p Смещение перехода база-коллектордля типа p-n-p Режимдля типа p-n-p
UE<UB<UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}} обратное прямое инверсныйактивный режим
UE<UB>UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}} обратное обратное режим отсечки
UE>UB<UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}} прямое прямое режим насыщения
UE>UB>UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}} прямое обратное нормальныйактивный режим

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
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 начнётся 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).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0.

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором.
Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Принцип работы биполярного транзистора.

Итак, транзистор содержит два p-n перехода (эмиттер-база и база-коллектор). Если не прикладывать к выводам транзистора никаких внешних напряжений, то на каждом из p-n переходов формируются области, обедненные свободными носителями заряда. Все в точности так же как

В активном же режиме переход эмиттер-база (эмиттерный переход) имеет прямое смещение, а коллекторный переход – обратное.

Так как переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, то внешнее электрическое поле будет перемещать электроны из области эмиттера в область базы. Там они частично будут вступать во взаимодействие с дырками и рекомбинировать.

Но большая часть электронов доберется до перехода база-коллектор (это связано с тем, что область базы конструктивно выполняется очень тонкой и содержит небольшой количество примесей), который смещен уже в обратном направлении. И в этом случае внешнее электрическое поле снова будет содействовать электронам, а именно помогать им проскочить в область коллектора.

В результате получается, что ток коллектора приблизительно равен току эмиттера:

I_к = \alpha I_э

Коэффициент \alpha численно равен 0.9…0.99. В то же время:

I_э = I_б + I_к

А что произойдет, если мы увеличим ток базы? Это приведет к тому, что переход эмиттер-база откроется еще сильнее, и большее количество электронов смогут попасть в область коллектора (все по тому же маршруту, который мы обсудили ). Давайте выразим ток эмиттера из первой формулы, подставим во вторую и получим:

I_э = \frac{I_к}{\alpha}
\frac{I_к}{\alpha} = I_б + I_к

Выражаем ток коллектора через ток базы:

I_к = \frac{\alpha}{1 – \alpha} I_б = \beta I_б

Коэффициент \beta обычно составляет 100-500. Таким образом, незначительный ток базы управляет гораздо большим током коллектора. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора!

Коэффициент, связывающий величину тока коллектора с величиной тока базы называют коэффициентом увеличения по току и обозначают h_{21}. Этот коэффициент является одной из основных характеристик биполярного транзистора. В следующих статьях мы будем рассматривать схемы включения транзисторов и подробнее разберем этот параметр и его зависимость от условий эксплуатации.

0 Рис.3. Семейство входных статических характеристик транзистора в схеме с общей базой.

Эмиттерный
p-n-переход в активном режиме включен в
прямом направлении, поэтому входные
характеристики транзистора похожи на
прямую ветвь ВАХ диода. С возрастанием
абсолютного значения напряжения на
коллекторном переходе происходит
сме­щение входных ВАХ влево, т.е. рост
тока через переход эмит­тер-база. Это
объясняется тем, что при нарастании
напряжения Vкб
происходит увеличение ширины ОПЗ
перехода коллектор-ба­за, соответственно
уменьшается эффективная толщина
базы. Данное обстоятельство увеличивает
градиент концентрации распределения
неосновных носителей в базовой области
и как следствие рост эмиттерного
тока при неизменном напряжении
эмиттер-база.

Биполярные транзисторы

Транзисторы можно рассматривать как своего рода переключатели, такие же как и многие электронные компоненты, например, реле или вакуумные лампы. Транзисторы применяются в различных схемах, и редко какая схема обходится без них, даже сейчас, при широком использовании микросхем. Существует два основных вида биполярных транзисторов – n-p-n и p-n-p, они различаются по проводимости.

Два схожих по параметрам транзистора разных проводимостей называют комплементарной парой. Если в какой-нибудь схеме, например, в усилителе, заменить транзисторы одного вида на транзисторы другого вида со схожими параметрами (не забыв изменить при этом полярность питающих напряжений, электролитических конденсаторов и полупроводниковых диодов), то схема будет работать точно так же, за исключением СВЧ диапазона, поскольку n-p-n транзисторы являются более высокочастотными, чем p-n-p, и здесь возможно не удастся подобрать комплементарную пару.

Биполярный транзистор – трёхэлектродный полупроводниковый прибор, разновидность транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости.

Чаще всего в схемах применяют транзисторы структуры n-p-n. Это связано с тем, что в схемах эмиттеры транзисторов соединены с отрицательным источником питания.

Соответственно и общий провод схемы так же будет соединён с отрицательным выводом источника питания, что является общепринятым стандартом.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах, но все они имеют три вывода (у высокочастотных транзисторов иногда имеется и четвёртый вывод, соединённый с металлическим корпусом – экраном):

  • База- это управляющий вывод;
  • Коллектор- находится под положительным потенциалом (для n-p-n транзистора);
  • Эмиттер- находится под отрицательным потенциалом (для n-p-n транзистора).
Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий