Реферат: Биполярные транзисторы
Курс: Компьютерная системотехника
Тема: Биполярные транзисторы
1. Биполярные транзисторы
Определение.
Транзистор- ППП с3-мя электродами, служащий для усиления сигналов (в общем случае по мощности) илиих переключения.
2. Типы биполярных транзисторов и их диодные схемы замещения
Различают кремниевые (рис.1) и германиевые транзисторы(рис.2).
/>
Рис.1. Рис.2.
На рис.1 и 2 показаны условные графические обозначениякремниевых (n-p-n) и германиевых (p-n-p) транзисторов и соответствующие имдиодные схемы замещения.
Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов,которые обладают одним общим n — или p — слоем. Электрод связанный с нимназывается базой (Б). Дав других электрода называются эмиттером (Э) иколлектором (К). Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с егографическим обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотяэта схема не характеризует полностью функции транзистoра, но она даетвозможность представлять действующие в нем обратные и прямые токи и напряжения.
3. Физические явления в транзисторах
Эмиттерная область транзистора является источником носителейзаряда, а область улавливающая эти носители заряда называется коллектром. Область,которая управляет потоком этих носителей, называется базой.
/>
При подключении прямого напряжения между эмиттером и базойпроисходит инжекция носителей зарядов через открытый (смещенный в прямомнаправлении) переход Э-Б, т.е. переход их из области эмиттера в область базы.
Таким образом образуется эмиттерный ток (Iэ) черезсоответсвующий переход (ЭП- эмиттерныйпереход).
Как известно, при “дырочной" проводимости типа “p"основными носителями заряда являются “дырки”, а неосновными — электроны. Часть “дырок” пришедших вбазовую область рекомбинируют в электроны, появляется ток базы (Iб), которыйочень мал по сравнению стоком эмиттера, так как только малая частьинжектированных “дырок” (носителей заряда) рекомбинирует.
Между коллектором и базой прикладывается обратноенапряжение, поэтому говорят что носители заряда из области базы экстрагируются(втягиваются) в коллекторную область и за счет этого образуется ток коллектора(Iк).
Таким образом, на основании приведенных выше рассужденийможно записать следующие простые соотношения между токами эмиттера, базы иколлектора:
Iэ= Iб+Iк (1); Iб<<Iк (Iэ) (2); Iк @ Iэ (3);
Iк = a × Iэ ®a = Iк / Iэ » (0,9¸0,99) <1(4);
Iк = a × Iэ + Iкбо (5),
где a × Iэ — управляемый ток, Iкбо — неуправляемый (обратный)ток, протекающий через переход Б-К в направлении противоположном прямому токуIк через этот переход.
/>
Iк = b × Iб ®b = Iк / Iб (6);
Iк = b × Iб + Iкбо;
Uб » Uэ — Uэб (7);
b = a / 1 — a(8);
4. Подача напряжений питания
Обычно переход Э-Б смещен в прямом направлении, а К-Б — в обратном. Поэтому источники напряженийпитания транзисторов должны быть включены, как показано на рис.3 и
/>
Рис.3 Рис.4
Основная особенность транзисторов состоит в том, чтоколлекторный ток Iк является кратным базовому току Iб. Их отношение b = Iк / Iб называют коэфициентом усиления потоку.
5. Схемы включения и статические параметрыСуществуют три основные схемы включения транзисторов:
1) — ОЭ
2) — ОБ
3) — ОК
1) Схема с общим эмиттером применяется наиболее часто.
В этой схеме управляющее напряжение прикладывается к участкуБ-Э, выходной сигнал снимается с резистора нагрузки, включенного в коллекторнуюцепь (потенциал эмиттера фиксирован).
/>
Рис.5. Включение транзистора по схеме с ОЭ (а) иэквивалентная схема (б) для данного случая.
Вольт — амперные характеристики и режимы работы транзисторав данном случае приведены на рис.5.2.
Входные характеристики приведены на Рис.6а, выходные — на Рис.6б.
/>
а) б)
Рис.6. Входные и выходные вольт — амперные характеристики транзисторавключенного по схеме с ОЭ.
На семействе выходных характеристик выделяют три области:
1) Область линейного усиления;
2) Область наыщения:
3) Область отсечки.
В соответствии с этим транзистор может работать в трехрежимах.
¨ В областилинейного усиления, увеличение тока базы приводит к пропорциональному изменениютока коллектора, при этом динамическое сопротивление участка К-Э стремится к ¥
rкэ = vUк / vIк;
¨ В областинасыщения, изменение тока коллектора не приводит к существенному изменениюнапряжения на коллекторе. Динамичнское сопротивление участка К-Э стремится к 0.
¨ В областиотсечки Iк = Iкбо » 0. Динамическоесопротивление сопротивление участка К-Э стремится к ¥.
Величина Iк сверху ограничена допустимой рассеиваемоймощностью на участке К-Э. Превышение предельного тока Iк max ведет к разрушениютранзистора, поэтому необходимо обеспечить схемные средства ограничения Iк. Впростейшем случае это резистор в коллекторной (или эмиттерной) цепи фиксирующийток коллектора на уровне Iк max = Eп / Rк. Но, в этом случае, потенциалколлектора изменяется при изменении тока коллектора (т.е. Uк = f (Iк)). Этазависимость определяется так называемой нагрузчной прямой, отсекающей на осяхкоординат два отрезка:
1) на оси абсцисс напряжение питания Еп при Iк = 0;
2) на оси ординат Iк max = Eп / Rк.
Пересечение нагрузочной прямой и выходной характеристики приконкретном токе базы дает, так называемую, рабочую точку.
Т.о. транзистор может работать в одном из следующих режимов(для n-p-n):
1) нормальный активный режим: Uбэ>0, Uкб>0
2) инверсный активный режим: Uбэ<0, Uкб<0
3) режим насыщения: Uбэ>0, Uкб<0
4) режим отсечки: Uбэ<0, Uкб>0
Нормальный активный режим.
В этом режиме переход Б-Э смещен в прямом направлении, а Б-К- в обратном.
При анализе основных схем включения транзисторов (здесь ОЭ,а далее ОБ и ОК) воспользуемся упрощенным (эквивалентным) представлениембиполярного транзистора для низких частот, изображенном на рис.5. б.
Входная цепь представлена динамическим входнымсопротивлением rбэ, а в коллекторной цепи использован управляемый источник токаколлектора (Iк = S × Uбэ),
где
/>
При этом внутреннее динамическое сопротивление включенопараллельно этому источнику тока, как и следует из теории электрических цепей (ТеоремаТеверена об эквивалентном генераторе). При определении основных характеристик ипараметров схемы здесь и далее будем считать, что идеальные источникинапряжений питания (Еп) и входного сигнала (Uвх).
Ток коллектора
1) Iк = a / 1 — a ×Iб + 1/1 — a × Iкбо = b × Iб + (1+b) × Iкбо » b × Iб,
где: a — коэфициент передачи по току (т.е. коэфициентпередачи тока из эмиттерной цепи в коллекторную) в схеме с ОЭ. Т. к. b>>1, то в схеме с ОЭ возможно усилениепо току (потому, что Iб<<Iк!).
2) Ток базы закрытого транзистора. При Uбэ = 0 (транзисторзакрыт) Iб » Iкбо, т.е. из базывытекает ток, » обратному тепловомутоку перехода К-Б.
3) Входное сопротивление
/>
/>
Тогда ток базы, который также зависит и от Uбэ можнопримерно определить так:
Iб = Iк × b, где b= h21 э
4) Коэфициент усиления по напряжению
/>
5) Коэфициент усиления по току
/>
6) Выходное сопротивление
/>
Режим насыщения
В этом режиме оба перехода смещены в прямом направлении.
Внешним проявлением режима насыщения является отсутствиезависимости Iк от Iб. Для схемы с ОЭ существует некоторый “граничный” ток Iбн,при котором достигается насыщение коллекторного тока
Iкн = b × Iбн
При дальнейшем увеличении тока базы ток коллектора неувеличивается и может быть введен некоторый коэфициент, характеризующий:
1) Степень насыщения
N = Iб / Iбн ÞIкн = N × Iк
2) Входное сопротивление
Rвхн = Rвх / b,
где Rвх — входноесопротивление в активной линейной области.
3) Выходное напряжение
Uвых = Uкэн » Uбэ
Это так называемое остаточное напряжение на участке К — Э,слабо зависящее от величины коллекторного тока.
4) Выходное сопротивление
Rвых » rкэ » Rвых / b» Rк / b,
где Rвых — выходноесопротивление в активной линейной области.
Режим отсечки
В этом режиме оба перехода смещены в обратном направлении.
1) Iэ » 0
2) Iк » Iкбо
3) Iб » — Iкбо
Границей режима отсечки является обратное напряжение (напряжениеотсечки) на переходе Б-Э (Uбэобр), при котором Iэ = 0!
В большинстве цифровых схем Uбэобр такое, прикотором Iб уменьшается в 100-200 раз!!
2) Схема с общей базой
В этой схеме управляющее напряжение прикладывается к участкуЭ-Б, а входной сигнал снимается с резистора нагрузки, вкюченного в коллекторнуюцепь. Потенциал базы при этом фиксирован, а потенциал Э должен быть меньшепотенциала Б, если переход Б-Э смещен в прямом направлении.
/>
а) б)
Рис.7
На рис.7 показана схема включения транзистора с ОБ и ееэквивалентная схема на низких частотах.
Вольт — амперная характеристика и режимы работы
/>
а) б)
Рис.8 Входные а) и выходные б) характеристики.
Нормальный активный режим.
В этом режиме, как и в схеме с ОЭ, переход Б-Э смещен впрямом направлении, переход К-Б в — обратном.
1) Iк = a × Iэ + Iко (eUкб/Uт -1) = a× Iэ + Iкбо » a × Iэ
Т. к. a<1, тоусиление по току в такой схеме невозможно Iк = b× Iб.
2)
/>
3) Ki = a » 1
4) Rвх » rбэ / ÙUвх / ÙIвх, т.е. в b раз меньше чем всхеме сОЭ!!
5)
/>,
т.е. такое же как и в схеме с ОЭ.
Режим насыщения
в данной схеме возможно только при Uк < Uб, чтонедостижимо при фиксированной полярности питания. Т.е. режима насыщения нет.
3) Схема с общим коллектором
Это по сути частный случай схемы с ОЭ при Rк = 0! Поэтому,практически все соотношения для токов транзистора и потенциалов на егопереходах, характерные для схемы с ОЭ, могут быть применим и в данном случае.
В этой схеме управляющее напряжение приложено к участку Б-Э,выходной сигнал снимается с резистора нагрузки, включенного в эмиттерную цепь. Потенциалколлектора при этом фиксирован!
Причем, в этой схеме, также как и в схеме с ОБ, отсутствуетрежим насыщения, поскольку потенциал коллектора никогда не может быть нижепотенциала базы!!
Параметры схемы в режиме отсечки аналогичны таковым в схемес ОЭ!!
На рис.8 приведены схема включения и ее эквивалентная схема.
/>
Рис.8
1)
/>
2)
/>
3) Rвх = rбэ + b × Rэ, т.е. во много раз больше чем Rвхв схемах с ОЭ и ОБ! (десятки и сотни кОм).
4)
/>
Т. е. такая схема имеет высокий Ki, малое Rвых и большое Rвх!!
6. h и Y параметры транзисторовТранзистор можно рассматривать как четырехполюсник где
Uвх = U1,Iвх = I1, Uвых = U2, Iвых = I2.
h11э<sub/>= ÙUбэ / ÙIбэ ÷ Uк = const = Rвх
h12э<sub/>= ÙUбэ / ÙUк ½Iб = const -
коэффициент внутренней ОС (очень малая величина, которой винженерной практике пренебрегают и принимают = 0)
h21э<sub/>= ÙIк / ÙIб ½Iб = const = b
h22э = ÙIк / ÙUк ½Iб = const —
Выходная проводимость
([Сименс] = 1/Ом)
Rвых = 1/ h22э
В настоящее время для практических расчетов h и y параметрыпрактически не используются!
7. Влияние температуры на статистические характеристики транзистора. Динамическиепараметры
Это параметры, которые совместно с такими же параметрамидругих компонентов схемы определяют вид АЧХ линейной схемы или характерпереходных процессов в ключевых схемах.
Частотные свойства транзистора в активном режимеопределяются:
инерционностью процессов распространения подвижных носителейв транзисторной структуре (в основном на базе);
наличием емкостей переходов (в частности барьерной емкостьюколлекторного перехода) и конечным значением внутренних сопротивлений;
эффектами накопления и рассеивания зарядов.
Обычно, для упрощения анализов динамических процессов,большую часть источников инерционности процессов в транзисторе сводятся кэквивалентным емкостям (зависящим, в общем случае, от напряжения и частоты). Засчет этого получают достаточно простые эквивалентные схемы транзистора напеременном токе, приведенные на рис.5.6.
/>
Рис.9. Эквивалентные схемы для активного режима а) и режимаотсечки б).
Коэффициент передачи по току может быть представленхарактеристикой ФНЧ первого порядка
/>,
где wb — частота среза.
Во временной области эта зависимость имеет вид:
/>,
где tb = 1/wb — постоянная времени изменения коэффициента передачи по току.
Граничной частотой усиления (или “частотой единичногоусиления”) называют частоту, при которой модуль коэффициента усиленияуменьшается до
В практических в расчетах используется соотношение
wгр = b ×wb
ta = tb / (1+b)или tb = (1+b) ta» b× ta,
где ta = 1/2pfa, fa — граничная частота усиления для схемыс ОЭ, которая приводится обычно в справочных данных!
Кроме faв справочных данных приводятся значения ta и tb, а также величины емкостейэмиттерного (С*эо) и коллекторного (С*ко)переходов при Uкб=0, Uэб=0, Uкк и Uэк — контактная разность потенциалов переходов К-Б и Э-Б.
Особенности переходных процессов в ключевом режиме работытранзистора включенного, например, по схеме с ОЭ заключается в наличии временирассасывания заряда неосновных носителей, накопленного в базе при протеканиитока в отрытом и насыщенном состоянии. Причем, с увеличением Iкн увеличивается tр!
Iк (t) = b (t) × Iб
Iкн = bо × Iбн ®Iбн = S × Iбо
/>
9. Предельно допустимые параметры1) Uэбобр — электрический (Зенеровский) или тепловой пробой перехода Б-Э
2) Uкбобр
Это max допустимые обратные напряжения на переходах Э-Б иК-Б. Причем,
Uэбобр < Uкбобр (иногда в 2 раза!)
3) Uкэmax
4) Pрmax — максимально допустимая рассеиваемая мощность
Pр » Uкэ × Iк
В паспорте обычно указывается Pрmax притемпературе корпуса, равной 25оС. С увеличением tоСнеобходимо уменьшение Pр ниже Pрmax!
Литература
1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронныхустройств. М., 2005. — 530с.
2. Лысенко А.П. Статический коэффициент передачи тока базы транзистора иего зависимость от режима и температуры. Учебное пособие — Московский государственныйинститут электроники и математики. М., 2005. — 29 с.
3. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник.Том 1. Издательство: РадиоСофт, 2000. — 512с.
4. Петухов В.М. Биполярные транзисторы средней и большой мощностисверхвысокочастотные и их зарубежные аналоги. Справочник. Том 4. Издательство: КУбК-а,1997. — 544с.
5. Чижма С.Н. Основы схемотехники. СПб., 2008. — 424с.