Реферат: Биполярные транзисторы
БИПОЛЯРНЫЕТРАНЗИСТОРЫ
1. Общиесведения
Транзисторы – этополупроводниковые приборы, пригодные для усиления мощности и имеющие три выводаили больше. В транзисторах может быть разное число переходов между областями сразличной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя n–p–переходами,называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителейзаряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работалинедостаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяютсяисключительно плоскостные транзисторы.
Устройство плоскостногобиполярного транзистора показано схематически на рис. 5.1.
/>
Рис. 5.1.Устройство плоскостного биполярного транзистора
Транзистор представляетсобой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которойсозданы три области с различной электропроводностью. Для примера взяттранзистор типа n–p–n, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайниеобласти – с электронной электропроводностью. Широко применяются такжетранзисторы типа p–n–p, в которых дырочной электропроводностью обладаютдве крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.
Средняя областьтранзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером,другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n–p–перехода:эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный– между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, неболее единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Этоявляется условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концент`рацияпримесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. Отбазы, эмиттера и коллектора сделаны выводы.
Для величин, относящихсяк базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и«к». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно iб, iэ, iк. Напряжения между электродами обозначают двойнымииндексами, например напряжение между базой и эмиттером Uб-э, между коллектором и базой Uк-б. На условном графическомобозначении (рис. 5.2) транзисторов p–n–p и n–p–n стрелкапоказывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера припрямом напряжении на эмиттерном переходе.
/>
Рис. 5.2.Условное графическое обозначение транзисторов
Транзистор может работатьв трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.
Активный режим – напряжение на эмиттерном переходепрямое, а на коллекторном – обратное.
Режим отсечки(запирания) –обратное напряжение подано на оба перехода.
Режим насыщения – на обоих переходах прямоенапряжение.
Основным являетсяактивный режим. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимыотсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.
В схемах с транзисторамиобычно образуются две цепи: входная (управляющая) –в нее включают источник усиливаемых сигналов и выходная (управляемая)– в нее включается нагрузка.
2. Принципдействия n–p–n транзистора
Рассмотрим принцип работытранзистора, на примере n–p–n транзистора в режиме без нагрузки, когдавключены только источники постоянных питающих напряжений E1 и E2 (рис. 5.3).
/>
Рис. 5.3.Схема включения n–p–n транзистора без нагрузки
Полярность их такова, чтона эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтомусопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этомпереходе достаточно напряжения E1 вдесятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение E2 обычно составляет единицы илидесятки вольт. Из схемы на рис. 5.3 видно, что напряжения между электродамитранзистора связаны простой зависимостью />.
При работе транзистора вактивном режиме обычно всегда Uб-э<<Uк-б и, следовательно, Uк-э»Uк-б.
Вольт-ампернаяхарактеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристикуполупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторногоперехода подобна характеристике диода при обратном токе.
Принцип работытранзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т.е.участка база – эмиттер (Uб-э),существенно влияет на токи эмиттера и коллектора. Чем больше это напряжение,тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишьнезначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение Uб-э, т.е. входное напряжение,управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощьютранзистора основано именно на этом явлении.
Физические процессы втранзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входногонапряжения Uб-э понижаетсяпотенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток черезэтот переход – ток эмиттера iэ.Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузиипроникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Т.к.коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходевозникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «–».Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению(экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера,т.е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.
Если толщина базыдостаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов,пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигаетколлекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе сдырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. В установившемся режимечисло дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждуюсекунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счеттого, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E1 такое же число электронов.Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некотороечисло инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, аостается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электроновдолжно уходить из базы в виде тока iб. Поскольку ток коллектора получается меньше токаэмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существуетследующее соотношение между токами:
/>
Ток базы являетсябесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно iб составляет малую долю(проценты) тока эмиттера, т. е. />, а следовательно, ток коллекторалишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать />. Именно для того, чтобыток iб был как можноменьше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей,которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будетрекомбинировать в базе с дырками.
Если бы база имелазначительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая частьэлектронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы сдырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти неувеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличениетока базы.
Когда к эмиттерномупереходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этомпереходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большоесопротивление постоянному току, т.к. основные носители зарядов удаляются отэтого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этиминосителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратныйток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т.е.электронов из p-области и дырок из n–области.
Важное свойствотранзистора – приблизительнолинейная зависимость между его токами, т.е. все три тока транзистораизменяются почти пропорционально друг другу.
Подобные же процессыпроисходят в транзисторе типа p–n–p, но в нем меняются ролями электроныи дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис.5.3). В транзисторе типа p–n–p из эмиттера и базу инжектируются неэлектроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. Сувеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу кколлекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастаниетока коллектора.
Работу транзистора можнонаглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая приведена нарис. 5.4 для транзистора типа n–p–n. Потенциал эмиттера принят занулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чембольше напряжение Uб-э,тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разностьпотенциалов, ускоряющую электроны.
/>
Рис. 5.4.Потенциальная диаграмма работы n–p–n транзистора
Помимо рассмотренныхосновных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще рядявлений.
Существенно влияет на работутранзисторов сопротивление базы rб0,т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы iб (ноль в индексе здесьозначает, что данная величина относится к постоянному току.) Этот ток протекаетк выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер–коллектор.Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т.е. длятока iк еесопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводубазы сопротивление базы rб0 (егоназывают поперечным) достигает сотен ом, т.к. в этом направлении базааналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегдаменьше, чем напряжение Uб‑э междувыводами базы и эмиттера, т.к. часть подводимого напряжения теряется насопротивлении базы. С учетом сопротивления rб0 можно изобразить эквивалентную схему транзистора дляпостоянного тока (рис. 5.5).
/>
Рис. 5.5.Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока
На рис. 5.5, rэ0 – сопротивление эмиттера, вкоторое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области.Значение rэ0 умаломощных транзисторов достигает десятков ом, поскольку напряжение наэмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторахсоставляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов больше и iэ0 соответственно меньше.Сопротивление rб0 определяетсяформулой (в омах) /> где ток iэ выражается в миллиамперах.
Сопротивление коллектора rко представляет собойпрактически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десяткикилоом. В него входит также сопротивление коллекторной области, но оносравнительно мало и им можно пренебречь.
Рассмотреннаяэквивалентная схема является весьма приближенной, т.к. на самом деле эмиттер,база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестветочек по всей площади переходов. Тем не менее, эта схема может применяться длярассмотрения многих процессов в транзисторе.
При повышении напряженияна коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителейзаряда, из-за ударной ионизации. Это явление и туннельный эффект способнывызвать электрический пробой, который при возрастании тока можетперейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловойпробой коллекторного перехода в транзисторе происходит в основном так же, как ив диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникатьтепловой пробой без предварительного электрического пробоя, т.е. без повышениянапряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное сперегревом коллекторного перехода называется вторичным пробоем.
Изменение напряжений наколлекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этихпереходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляциейтолщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряженияколлектор–база, т.к. тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщинабазы уменьшается.
При очень тонкой баземожет произойти эффект смыкания («прокол» базы) – соединениеколлекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает итранзистор перестает нормально работать.
При увеличении инжекцииносителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей зарядав базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. Инаоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации исуммарного заряда неосновных носителей в базе. Этот процесс называют рассасываниемнеосновных носителей заряда в базе.
Рассмотрим соотношениямежду токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерномпереходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назватьуправляемым коллекторным токомiк. упр.. Часть инжектированных из эмиттера в базуносителей рекомбинирует, поэтому /> где a–коэффициентпередачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора. Принормальных токах он может иметь значения от 0,950 до 0,998. Чемслабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе а к 1.
Через коллекторныйпереход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемыйобратный ток iк0 (рис.5.6). Этот ток называют еще начальным током коллектора. Он неуправляем потому,что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторныйток
/>(5.1)
/>
Рис. 5.6.Направления токов в транзисторе
Во многих случаях /> и поэтомуможно считать, что />.
Преобразуем формулу (5.1)/>/>
Выразим: />
Обозначим /> и /> тогда
/>;(5.2)
здесь /> – коэффициентпередачи тока базы и составляет несколько десятков. Например, если a=0,95,/> а если a=0,99,то />
Т. е. при увеличении aна 0,04, b увеличился в пять раз.
Выразим а через b:/>
Следует заметить, чтокоэффициент a не является строго постоянным. Он зависит от режима работытранзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах aуменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. Впределах рабочих значений тока эмиттера зменяется сравнительно мало.
Коэффициент b изменяетсяв зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент a.При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент b максимален, апри меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.
Ток iк-э0 называют начальнымсквозным током, т.к. он протекает сквозь весь транзистор (через три егообласти и через оба n–p–перехода) в том случае, если iб=0, т.е. оборван провод базы.Из (5.2) при iб=0получаем iк=iк-э0. Сквозной ток составляетдесятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектораiк0.
/> или /> а т.к. />, то />
Сравнительно большой ток iк-э0 объясняется тем, чтонекоторая часть напряжения Uк-э,приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствиеэтого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.
При значительномповышении напряжения Uк-э,ток iк-э0 резковозрастает и происходит электрический пробой.
3.Усиление с помощью транзистора
Рассмотрим схемуусилительного каскада с транзистором n–p–n типа (рис. 5.7). Эта схеманазывается схемой с общим эмиттером (ОЭ), т.к. эмиттер является общей точкойдля входа и выхода схемы.
/>
Рис. 5.7.Схема включения транзистора с ОЭ
Входное напряжение,которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база– эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника E1, которое является прямымнапряжением для эмиттерного перехода. Цепь коллектора (выходная цепь) питаетсяот источника E2. Дляполучения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка Rн.
C1 – конденсатор большой емкости необходим для того,чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннемсопротивлении источника E1.C2 – необходим для того, чтобы не было потери части выходного усиленногонапряжения на внутреннем сопротивлении источника E2.
Рассмотрим эквивалентнуюсхему коллекторной цепи (рис. 5.8).
/>
Рис. 5.8.Эквивалентная схема коллекторной цепи при включении транзистора с ОЭ
Работа усилительногокаскада с транзистором происходит следующим образом. Напряжение источника E2 делится между сопротивлениемнагрузки и внутренним сопротивлением транзистора r0, которое он оказывает постоянному токуколлектора. Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторногоперехода rк0 для постоянноготока. В действительности к сопротивлению rк0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерногоперехода, а также n– и p–областей, но эти сопротивления можно непринимать во внимание.
Если во входную цепьвключается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется токэмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода rк0. Тогда напряжение источника E2 будет перераспределяться междуRн и rк0. При этом переменноенапряжение на peзиcтopе нагрузки Rн можетбыть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение.Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много разбольше изменений тока базы. Поэтому в данной схеме получается значительноеусиление тока и очень большое усиление мощности.
Для большей наглядностирассмотрим работу усилительного каскада с транзистором на числовом примере.Пусть питающие напряжения E1 =0,2 В и E2 = 12 В,сопротивление резистора нагрузки Rн =4 кОм и сопротивление транзистора r0 при отсутствии колебаний на входе также равно 4 кОм,т.е. полное сопротивление коллекторной цепи равно 8 кОм. Тогда токколлектора, который можно приближенно считать равным току эмиттера, составляет
/>
Напряжение E2 разделится пополам, напряжениена Rн и на r0 будет по 6 В.
Пусть oт источникаколебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В.Максимальное напряжение на участке база – эмиттер при положительной полуволнестановится равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряженияток эмиттера возрастает до 2,5 мА. Таким же практически станет и токколлектора. Он создаст на резисторе нагрузки падение напряжения 2,5·4=10В,а падение напряжения на сопротивлении r0 транзистора уменьшится до 12–10 = 2 В.Следовательно, это сопротивление уменьшится до 2:2,5 = 0,8 кОм.
Через полпериода, когдаисточник колебаний даст напряжение, равное – –0,1 В, произойдем обратноеявление. Минимальное напряжение база – эмиттер станет 0,2–0,1=0,1 В.Токи эмиттера и коллектора уменьшатся до 0,5 мА. На резисторе Rн падение напряжения уменьшитсядо 0,5·4=2 В, а на сопротивлении r0 оно возрастет до 10 В. Следовательно, этосопротивление увеличится до 10:0,5=20 кОм.
Таким образом, подача навход транзистора переменного напряжения с амплитудой 0,1 В вызываетизменение сопротивления от 0,8 до 20 кОм. При этом напряжения нарезисторе нагрузки и на транзисторе изменяются на 4 В в ту и другуюсторону (от 10 до 2 В). Следовательно, выходное напряжение имеетамплитуду колебаний 4 В, т. е. оно в 40 раз больше входногонапряжения. Этот числовой пример является приближенным, так как на самом делезависимость между током коллектора и входным напряжением нелинейна.
Следующие уравнения:
входное напряжение />;
напряжение на участкебаза – эмиттер /> где />;
ток коллектора />
напряжение на нагрузке />
где /> и />
напряжение на выходе />
где />
3.1. Схемывключения транзисторов (ОБ, ОК, ОЭ)
Применяют три основныесхемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемаходин из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Воизбежание ошибок при этом надо помнить, что под входом (выходом) понимаютточки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Неследует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению.
Основные схемы включениятранзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером(ОЭ), общей базой (ОБ) и общимколлектором (ОК). Принцип усиления колебаний во всех этихкаскадах одинаков, но свойства схем различны.
3.2. Схемас общим эмиттером (ОЭ)
Эта схема изображена нарис. 5.7 и является наиболее распространенной, т.к. она дает наибольшееусиление по мощности.
Коэффициентусиления по токуki – это отношениеамплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т.е. переменных составляющих токов коллектора и базы:
/>.
Усилительные свойстватранзистора при включении его по схеме ОЭ характеризует один из главных егопараметров – статический коэффициент усиления по току (иликоэффициент передачи тока) для схемы ОЭ, обозначаемый b. Поскольку ондолжен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме безнагрузки (Rн=0), т. е.при постоянном напряжении участка коллектор-эмиттер:
/>, при uк-э=const.
Коэффициентусиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значенийвыходного и входного переменного напряжения. Входным является переменноенапряжение база — эмиттер Uб-э,а выходным — переменное напряжение на резисторе нагрузки UR, что соответствует напряжениюмежду коллектором и эмиттером Uк-э:
/>
Коэффициентусиления каскада по мощности kp представляетсобой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностейопределяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов инапряжений:
/>
/>
поэтому />
Важной величиной длятранзистора является его входное сопротивление, котороеопределяется по закону Ома. Для схемы ОЭ
/>
Каскад по схеме ОЭ приусилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входнымнапряжениемимеется фазовый сдвиг 180°.
Достоинство схемыОЭ – удобствопитания ее от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающиенапряжения одного знака.
Недостатки данной схемы – худшие по сравнениюсо схемой ОБ частотные и температурные свойства. С повышением частоты усилениев схеме ОЭ снижается в значительно большей степени, нежели в схеме ОБ. Режимработы схемы ОЭ сильно зависит от температуры.
Схема с общей базой (ОБ)
Схема с ОБ показана нарис. 5.10. Эта схема дает значительно меньшее усиление no мощности и имеет ещеменьшее входное сопротивление, чем схема ОЭ, все же ее иногда применяют, таккак по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемыОЭ.
Коэффициентусиления по токукаскада ОБ всегда несколько меньше единицы:
/>
.к. ток коллекторавсегда лишь немного меньше тока эмиттера.
Статическийкоэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока), для схемы ОБ обозначается a.Он определяется для режима без нагрузки (Rн=0), т. е. при постоянном напряжении коллектор-база:
/>, при uк-б=const.
Чем ближе a к 1,тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току ki, для каскада ОБ всегда немного меньше а,т.к. при включении Rн токколлектора уменьшается.
Коэффициентусиления по напряжению определяется формулой:
/>
Коэффициентусиления по мощности kp=ki ·ku. Поскольку, /> то />.
Входноесопротивлениедля схемы ОБ: />
Входное сопротивлениеполучается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ, поскольку напряжение Umб-э равно напряжению Umэ-б, а ток Imэ в десятки раз больше тока Imб.
Для схемы ОБ фазовыйсдвиг между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряженияпри усилении не переворачивается.
Достоинство данной схемы включения в том, чтокаскад по схеме ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схемеОЭ.
3.3. Схемас общим коллектором (ОК)
Схема с ОК показана нарис. 5.11. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностьюпередается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.
Входное напряжение равносумме переменного напряжения база-эмиттер uб-э и выходного напряжения:
/>
Коэффициентусиления по токукаскада ОК определяется по формуле:
/>
и имеет почти такоезначение, как и в схеме ОЭ.
Отношение />– есть коэффициентусиления по току для схемы ОЭ.
Коэффициентусиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее:
/>
Коэффициентусиления по мощности />.
Фазового сдвига между uвых и uв нет, поскольку выходноенапряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. Данная схемавключения транзистора называется эмиттерным повторителем.Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в провод эмиттера и выходноенапряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса).
Входноесопротивлениекаскада по схеме ОК определяется по формуле
/>
Важным достоинством данной схемы включения являетсявысокое входное сопротивление.