Сколько переходов имеет биполярный транзистор: Полевые транзисторы. For dummies / Хабр

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое

· 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 начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I_Э.нас) и коллектора (I_К.нас).

· 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 U_ЭБ<0,7 В, или I_Б=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 из себя 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.

Схемы включения:

Схема включения с общей базой.

Усилитель с общей базой. Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.

• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_к/I_э = α [α<1].
• Входное сопротивление R_вх = U_вх/I_вх = U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

· Хорошие температурные и частотные свойства.

· Высокое допустимое напряжение

Недостатки:

· Малое усиление по току, так как α < 1

· Малое входное сопротивление

· Два разных источника напряжения для питания.

Схема включения с общим эмиттером:

I_вых = I_к
I_вх = I_б
U_вх = U_бэ
U_вых = U_кэ

· Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_к/I_б = I_к/(I_э-I_к) = α/(1-α) = β [β>>1].

· Входное сопротивление: R_вх = U_вх/I_вх = U_бэ/I

_б.

Достоинства:

· Большой коэффициент усиления по току.

· Большой коэффициент усиления по напряжению.

· Наибольшее усиление мощности.

· Можно обойтись одним источником питания.

· Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

· Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

Схема с общим коллектором:

I_вых = I_э
I_вх = I_б
U_вх = U_бк
U_вых = U_кэ

· Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_э/I_б = I_э/(I_э-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1].

· Входное сопротивление:

R_вх = U_вх/I_вх = (U_бэ + U_кэ)/I_б.

Достоинства:

· Большое входное сопротивление.

· Малое выходное сопротивление.

Недостатки:

· Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

Продолжаем разбирать все, что связано с транзисторами и сегодня у нас на очереди одна из наиболее часто используемых схем включения. А именно схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ)! Кроме того, на базе этой схемы мы рассмотрим основные параметры и характеристики биполярного транзистора. Тема важная и интересная, так что без лишних слов переходим к делу!

Название этой схемы во многом объясняет ее основную идею. Поскольку схема с общим эмиттером, то, собственно, эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей.

Вот как выглядит схема с ОЭ для n-p-n транзистора:

А вот так – для p-n-p:

Давайте снова разбирать все процессы для случая с использованием n-p-n транзистора. Для p-n-p суть остается той же, меняется только полярность.

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер (U_{бэ}) и ток базы (I_{б}), а выходными – напряжение коллектор-эмиттер (U_{кэ}) и ток коллектора (I_{к}). Обратите внимание, что в этих схемах у нас отсутствует нагрузка в цепи коллектора, поэтому все характеристики, которые мы далее рассмотрим носят название статических. Другими словами статические характеристики транзистора – это зависимости между напряжениями и токами на входе и выходе при отсутствии нагрузки.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь ВАХ диода. При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной! Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным режимам работы транзистора.

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано 🙂

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta, несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше!

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Основные параметры биполярных транзисторов.

Давайте теперь рассмотрим, какие существуют параметры биполярных транзисторов, и какие предельные значения они могут принимать.

I_{КБО} (I_{CBO}) – обратный ток коллектора – ток через коллекторный переход при определенном обратном напряжении на переходе коллектор-база и разомкнутой цепи эмиттера.

I_{ЭБО} (I_{EBO}) – обратный ток эмиттера – ток через эмиттерный переход при определенном обратном напряжении на переходе эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.

I_{КЭО} (I_{CEO}) – аналогично, обратный ток коллектор-эмиттер – ток в цепи коллектор-эмиттер при определенном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.

U_{БЭ} (V_{BE}) – напряжение на переходе база-эмиттер при определенном напряжении коллектор-эмиттер и токе коллектора.

U_{КБ \medspace проб} (V_{(BR) CBO}) – напряжение пробоя перехода коллектор-база при определенном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера. Например, для все того же BC847:

U_{ЭБ \medspace проб} (V_{(BR) EBO}) – напряжение пробоя эмиттер-база при определенном обратном токе эмиттера и разомкнутой цепи коллектора.

U_{КЭ \medspace проб} (V_{(BR) CES}) – напряжение пробоя коллектор-эмиттер при определенном прямом токе коллектора и разомкнутой цепи базы.

Напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер – U_{КЭ \medspace нас} (V_{CEsat}) и U_{БЭ \medspace нас} (V_{BEsat}).

Конечно же, важнейший параметр – статический коэффициент передачи по току для схемы с общим эмиттером – h_{21э} (h_{FE}). Для этого параметра обычно приводится диапазон возможных значений, то есть минимальное и максимальное значения.

f_{гр} (f_{T}) – граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером. При использовании сигнала более высокой частоты транзистор не может быть использован в качестве усилительного элемента.

И еще один параметр, который следует отнести к важнейшим – I_{К} (I_{C}) – максимально допустимый постоянный ток коллектора.

И на этом заканчиваем нашу сегодняшнюю статью, большое спасибо за внимание! Подписывайтесь на обновления и не пропустите новые статьи 🙂

Биполярные транзисторы

Добавлено 21 октября 2016 в 17:45

Сохранить или поделиться

Биполярный транзистор был назван так, потому что его работа предполагает движение двух носителей заряда: электронов и дырок в одном и том же кристалле. Первый биполярный транзистор был изобретен в Bell Labs Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином в конце 1947 года, и поэтому публикации о нем не появлялись до 1948 года. Таким образом, многие тексты различаются по дате изобретения. Браттейн изготовил германиевый точечный транзистор, который имел некоторое сходство с точечным диодом. В течение месяца у Шокли появился более практичный плоскостной биполярный транзистор, который мы опишем ниже. В 1956 году за изобретение транзистора они были удостоены Нобелевской премии по физики.

Биполярный транзистор, показанный на рисунке ниже (a), – это NPN трехслойный полупроводниковый сэндвич с эмиттером и коллектором на концах и базой между ними. Это как если бы к двухслойному диоду был добавлен третий слой. Но если бы это было единственным требованием, было бы достаточно иметь пару расположенных «спина к спине» диодов. Да и изготовить пару диодов, расположенных «спина к спине», гораздо проще. Но основой изготовления биполярного транзистора является создание среднего слоя, базы, такого тонкого насколько это возможно без замыкания внешних слоев, эмиттера и базы. Невозможно переоценить важность тонкой области базы.

Полупроводниковый прибор на рисунке ниже (a) имеет два перехода, между эмиттером и базой и между базой и коллектором, и две обедненные области.

(a) Биполярный NPN транзистор.
(b) Применение обратного смещения к переходу база-коллектор.

На переход база-коллектор биполярного транзистора принято подавать обратное смещение, как показано на рисунке выше (b). Обратите внимание, что это увеличивает ширину обедненной области. Напряжение обратного смещения для большинства транзисторов может находиться в диапазоне от нескольких вольт до десятков вольт. В данный момент в коллекторной цепи нет тока, кроме тока утечки.

На рисунке ниже (a) добавлен еще один источник напряжения в цепь между эмиттером и базой. Обычно мы прикладываем к переходу эмиттер-база прямое смещение, преодолевающее потенциальный барьер 0,6В. Это похоже на прямое смещение полупроводникового диода. Источник напряжения должен превышать 0,6В, чтобы основные носители (электроны для NPN) начали протекать от эмиттера в базу, становясь неосновными носителями заряда в полупроводнике P-типа.

Если бы область базы была толстой, как в паре расположенный «спина к спине» диодов, весь ток, поступающий в базу, утекал бы через вывод базы. В нашем примере NPN транзистора электроны, выходящие из эмиттера в базу, будут объединяться с дырками в базе, освобождая место для большего числа дырок, которые будут созданы на (+) выводе батареи, подключенного к базе, как только электроны уйдут.

Однако база изготавливается тонкой. Несколько основных носителей в эмиттере, введенных как неосновные носители в базу, действительно рекомбинируют. Смотрите рисунок ниже (b). Несколько электронов, введенных эмиттером в базу NPN транзистора, попадают в дырки. Также несколько электронов, вошедших в базу, потекут напрямую через базу к положительной клемме батареи. Большая часть эмиттерного потока электронов диффундирует через тонкую базу в коллектор. Кроме того, изменение небольшого тока базы приводит к большим изменениям тока коллектора. Если напряжение на базе падает ниже примерно 0,6 вольт для кремниевого транзистора, то перестает течь большой ток эмиттер-коллектор.

Биполярный NPN транзистор с обратным смещением перехода коллектор-база: (a) добавление прямого смещения к переходу база-эмиттер дает в результате (b) маленький ток базы и большие токи эмиттера и коллектора.

На рисунке ниже мы более внимательно рассмотрим механизм усиления тока. У нас есть увеличенный вид переходов биполярного NPN транзистора с акцентом на тонкую область базы. Хотя это не показано, мы предполагаем, что подключены внешние источники напряжения: (1) прямое смещение перехода эмиттер-база, (2) обратное смещение перехода база-коллектор. Электроны, основные носители, входят в эмиттер от клеммы (-) батареи. Ток базы соответствует электронам, покидающим вывод базы к выводу (+) батареи. Впрочем, это небольшой ток по сравнению с током эмиттера.

Электроны, входящие в базу:
(a) Утерянные в результате рекомбинации с дырками базы.
(b) Выходящие из вывода базы.
(c) Большинство диффундирует из эмиттера через тонкую базу в обедненную область база-коллектор,
и (d) быстро захватываются сильным электрическим полем обедненной области в коллектор.

Основными носителям внутри эмиттера N-типа являются электроны, становящиеся неосновными носителями, когда входят в базу P-типа. У этих электронов, попадающих в тонкую базу P-типа, есть четыре возможных варианта. Несколько электронов (на рисунке (a) выше) попадают в дырки в базе, что способствует протеканию тока к выводу базы от клеммы (+) батареи. Это не показано, но дырки в базе могут диффундировать в эмиттер и объединяться с электронами, способствуя протеканию тока через вывод базы. Несколько (b) протекают через базу к выводу (+) батареи, как если бы база была просто резистором. Обе группы электронов, и (a) и (b), вносят очень маленький вклад в ток базы. Для маломощных транзисторов ток базы обычно составляет 1% от тока эмиттера или коллектора. Большая часть электронов эмиттера диффундирует сквозь тонкую базу (c) в обедненную область база-коллектор. Обратите внимание на полярность обедненной области, окружающей электрон на рисунке (d). Сильное электрическое поле быстро сметает электрон в коллектор. Сила поля пропорциональна напряжению батареи коллектора. Таким образом, 99% эмиттерного тока поступает в коллектор. Он управляется током базы, который составляет 1% от тока эмиттера. Это потенциальное усиление тока в 99 раз, отношение I_К/I_Б, также известное как бета β.

Это потрясающе, распространение 99% носителей эмиттера через базу возможно, только если база очень тонкая. Что было бы с основными носителями эмиттера, если бы база была в 100 раз толще? Можно было бы ожидать увеличения рекомбинации, число электронов, попадающих в дырки, было бы намного больше. Может быть 99%, а не 1%, попало бы в дырки, никогда не достигнув коллектора. Второй момент состоит в том, что ток базы может управлять 99% тока эмиттера, только если 99% тока эмиттера диффундирует в коллектор. Если бы весь ток вытекал из базы, никакое управление не было бы возможно.

Еще одна особенность, необходимая для передачи 99% электронов из эмиттера в коллектор, заключается в том, что реальные биполярные транзисторы используют небольшой сильно легированный эмиттер. Высокая концентрация электронов эмиттера заставляет больше электронов диффундировать в базу. Более низкая концентрация легирующей примеси в базе означает, что меньшее количество дырок диффундирует в эмиттер, которые могли бы увеличить ток базы. Распространение носителей заряда от эмиттера к базе пользуется большим преимуществом.

Тонкая база и сильно легированный эмиттер помогают сохранить высокую эффективность эмиттера, например, 99%. Это соответствует тому, что 100% тока эмиттера разделяется между базой (1%) и коллектором (99%). Эффективность эмиттера известна, как α = I_К/I_Э.

Биполярные транзисторы могут иметь структуру как NPN, так и PNP. Мы приведем сравнение этих двух структур на рисунке ниже. Разница заключается в полярности PN-переходов база-эмиттер, что и обозначено направлением стрелки эмиттера на условном графическом обозначении. Она указывает в том же направлении, как и стрелка анода диода, противоположно направлению движения электронов.

Смотрите условное обозначение на изображении в P-N переход. Начало стрелки и ее конец соответствуют полупроводникам P-типа и N-типа, соответственно. Для эмиттеров NPN и PNP транзисторов стрелка указывает по направлениям от базы и к базе, соответственно. На условном обозначении нет стрелки на коллекторе. Тем не менее, переход база-коллектор имеет ту же полярность, как диод, что и переход база-эмиттер. Обратите внимание, что мы говорим о полярности диода, а не источника питания.

Сравните NPN транзистор (a) с PNP транзистором (b). Обратите внимание на стрелку эмиттера и полярности источника питания.

Источники напряжения для PNP транзисторов перевернуты по сравнению с NPN транзисторами, как показано на рисунке выше. Переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении в обоих случаях. На базу PNP транзистора подается отрицательное смещение (b), по сравнению с положительным (a) для NPN транзистора. В обоих случаях переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Источник питания коллектора PNP транзистора имеет отрицательную полярность, по сравнению с положительной для NPN транзистора.

Биполярный плоскостной транзистор (BJT): (a) поперечное сечение отдельного прибора, (b) условное графическое обозначение, (c) поперечное сечение интегральной микросхемы.

Обратите внимание, что биполярный транзистор (BJT) на рисунке (a) выше имеет сильное легирование в эмиттере, обозначенное N⁺. База обладает нормальным уровнем P-легирования. База намного тоньше, чем показано на рисунке поперечного сечения не в масштабе. Коллектор легирован слабо, что обозначено с помощью N^—. Коллектор должен быть легирован так слабо, чтобы переход коллектор-база обладал высоким напряжением пробоя. Это приводит к высокому допустимому напряжению источника питания коллектора. Напряжение пробоя у маломощных кремниевых транзисторов составляет 60-80 вольт. Для высоковольтных транзисторов оно может достигать сотен вольт. Коллектор также должен быть сильно легирован для уменьшения резистивных потерь, если транзистор должен работать с большими токами. Эти противоречивые требования удовлетворяются за счет более сильного легирования коллектора в области металлического контакта. Коллектор около базы легирован слабо по сравнению с эмиттером. Сильное легирование в эмиттере дает низкое напряжение пробоя перехода эмиттер-база, которое составляет примерно 7 вольт для маломощных транзисторов. Сильнолегированный эмиттер делает переход эмиттер-база при обратном смещении, похожим по характеристикам на стабилитрон.

Основание биполярного плоскостного транзистора, пластина из полупроводника, – это коллектор, установленный (в случае мощных транзисторов) на металлическом корпусе. То есть, металлический корпус электрически соединен с коллектором. Основание маломощных транзисторов может быть заключено в эпоксидную смолу. В мощных транзисторах алюминиевые соединительные провода подключаются к базе и эмиттеру и соединяются с выводами корпуса. Основания маломощных транзисторов могут устанавливаться непосредственно на выводящих проводниках. На одном кристалле может быть изготовлено несколько транзисторов, что будет называться интегральной схемой. Коллектор даже может быть установлен не на корпусе, а на выводе. Интегральная схема может содержать внутренние проводники, соединяющие транзисторы и другие интегрированные компоненты. Встроенный биполярный транзистор, показанный на рисунке (c) выше, намного тоньше, чем показано на рисунке «не в масштабе». Область P⁺ изолирует несколько транзисторов в одном кристалле. Алюминиевый слой металлизации (не показан) соединяет между собой несколько транзисторов и другие компоненты. Область эмиттера сильно легирована N⁺ по сравнению с базой и коллектором для того, чтобы повысить эффективность эмиттера.

Дискретные PNP транзисторы почти столь же высокого качества, как и NPN транзисторы. Тем не менее, интегрированные PNP транзисторы не так хороши, как NPN в аналогичном кристалле интегральной схемы. Таким образом, интегральные схемы по максимуму используют NPN транзисторы.

Подведем итоги

• Биполярные транзисторы проводят ток, используя и электроны, и дырки в одном приборе.
• Функционирование биполярного транзистора, как усилителя тока, требует, чтобы на переход коллектор-база было подано обратное смещение, а на переход эмиттер-база – прямое.
• Транзистор отличается от пары соединенных «спина к спине» диодов тем, что база (центральный слой) очень тонкая. Это позволяет основным носителям заряд из эмиттера диффундировать, как неосновные носители, через базу в обедненную область перехода база-коллектор, где их подбирает сильное электрическое поле.
• Эффективность эмиттера улучшается более сильным легированием по сравнению с коллектором. Эффективность эмиттера: α = I_C/I_E, составляет 0,99 для маломощных транзисторов.
• Усиление по току: β=I_C/I_B, для маломощных транзисторов лежит в диапазоне от 100 до 300.

Оригинал статьи:

Теги

PN переходБиполярный транзисторОбучениеЭлектроника

Сохранить или поделиться

Проверка биполярного транзистора мультиметром

Добавлено 27 сентября 2017 в 07:35

Сохранить или поделиться

Биполярные транзисторы построены из трехслойного полупроводникового «сэндвича» либо NPN, либо PNP. Как таковые транзисторы при проверке мультиметром в режиме «сопротивление» или «проверка диода», как показано на рисунке ниже, показываются как два диода, соединенных друг с другом. Показания низкого сопротивления с черным отрицательным (-) выводом на базе соответствует N-типу материала в базе PNP транзистора. На условном обозначении на материал N-типа «указывает» стрелка перехода база-эмиттер, который в этом примере является базой. Эмиттер P-типа соответствует другому концу стрелки перехода база-эмиттер. Коллектор очень похож на эмиттер и так же является материалом P-типа PN-перехода.

Проверка PNP транзистора мультиметром: (a) прямое смещение переходов Б-Э и Б-К, сопротивление низкое; (b) обратное смещение переходов Б-Э, Б-К, сопротивление равно ∞

Здесь я предполагаю использовать мультиметр с единственной функцией измерения (сопротивление) для проверки PN-переходов. Некоторые мультиметры оснащены двумя отдельными функциями измерения: сопротивление и «проверка диода», каждая служит своей цели. Если у вашего мультиметра есть функция «проверка диода», используйте её, вместо измерения сопротивления, в этом случае мультиметр покажет прямое падение напряжения PN-перехода, а не только то, проводит ли он ток.

Разумеется, показания мультиметра будут совершенно противоположными для NPN транзистора, причем оба PN-перехода будут направлены в противоположную сторону. Показания низкого сопротивления с красным (+) выводом на базе являются «противоположным» состоянием для NPN транзистора.

Если в этом тесте используется мультиметр с функцией «проверка диода», будет установлено, что переход эмиттер-база имеет несколько большее прямое падение напряжения, чем переход коллектор-база. Эта разница прямых напряжений обусловлена несоответствием концентрации легирования между областями эмиттера и коллектора: эмиттер представляет собой кусок полупроводникового материала, гораздо более легированный, чем коллектор, в результате чего его переход с базой создает более высокое прямое падение напряжения.

Зная это, становится возможным определение назначение выводов на немаркированном транзисторе. Это важно, потому что корпуса, к сожалению, не стандартизированы. Разумеется, все биполярные транзисторы имеют три вывода, но расположение этих трех выводов на реальном физическом корпусе не имеет универсального стандартизированного порядка.

Предположим, что техник нашел биполярный транзистор и начинает измерять его проводимость с помощью мультиметра, установленного в режим «проверка диода». Измерения между парами выводов и запись значений, отображаемых мультиметром, дают ему следующие данные.

Неизвестный биполярный транзистор. Где здесь эмиттер, база, коллектор? Ниже приведены показания мультиметра.

Мультиметр подключен к выводу 1 (+) и 2 (-): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 1 (-) и 2 (+): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 1 (+) и 3 (-): 0.655 V
Мультиметр подключен к выводу 1 (-) и 3 (+): “OL”
Мультиметр подключен к выводу 2 (+) и 3 (-): 0.621 V
Мультиметр подключен к выводу 2 (-) и 3 (+): “OL”

Единственными комбинациями тестовых измерений, дающих на мультиметре показания, говорящие о проводимости, являются выводы 1 и 3 (красный щуп на выводе 1, черный щуп на выводе 3) и выводы 2 и 3 (красный щуп на выводе 2, черный щуп на выводе 3). Эти два показания должны указывать на прямое смещения перехода эмиттер-база (0,655 вольт) и перехода коллектор-база (0,621 вольт).

Теперь мы ищем один провод, общий для обоих показаний проводимости. Это должен быть вывод базы транзистора, поскольку база единственным слоем трехслойного устройства, общего для обоих PN-переходов (база-эмиттер и база-коллектор). В этом примере это провод номер 3, являющийся общим для комбинаций тестовых измерений 1-3 и 2-3. В обоих этих измерениях черный (-) щуп мультиметра касался к выводу 3, что говорит нам, что база этого транзистора изготовлена из полупроводникового материала N-типа (черный = отрицательный). Таким образом, это PNP-транзистор с базой на выводе 3, эмиттером на выводе 1 и коллектором на выводе 2, как показано на рисунке ниже.

Выводы биполярного транзистора определены с помощью мультиметра.

Обратите внимание, что вывод базы в этом примере не является средним выводом транзистора, как это можно было бы ожидать от трехслойной «сэндвичной» модели биполярного транзистора. Это довольно частый случай, и, как правило, это часто путает новых студентов. Единственный способ определить назначение выводов – это проверка мультиметром или чтение технического описания на конкретную модель транзистора.

Знание того, что биполярный транзистор при тестировании мультиметром в режиме проводимости ведет себя как два соединенных «спинами» диода, полезно для идентификации неизвестного транзистора только по показаниям мультиметра. Это также полезно для быстрой проверки работоспособности транзистора. Если техник измерит проводимость между тремя выводами в разных комбинациях, он или она сразу узнает, что транзистор неисправен (или что это не биполярный транзистор, а что-то еще – отличная возможность, если на детали нет маркировки для точной идентификации!). Однако модель «двух диодов» для транзистора не может объяснить, как и почему он действует как усилительное устройство.

Чтобы лучше проиллюстрировать этот парадокс, рассмотрим одну из схем транзисторных ключей, используя для представления транзистора физическую схему (как показано на рисунке ниже), а не условное обозначение. Так легче будет видеть два PN-перехода.

Небольшой ток базы, протекающий в прямо смещенном переходе база-эмиттер, обеспечивает большой ток через обратно смещенный переход база-коллектор (на рисунке показано направление движения потоков электронов, общепринятые направления электрических токов будут противоположными)

Диагональная стрелка серого цвета показывает направление потока электронов через переход эмиттер-база. Эта часть имеет смысл, так как электроны протекают от эмиттера N-типа к базе P-типа, очевидно прямое смещение перехода. Однако с переходом база-коллектор совсем другое дело. Обратите внимание, как толстая стрелка серого цвета указывает в направлении потока электронов (вверх) от базы к коллектору. С базой из материала P-типа и коллектором из материала N-типа, это направление потока электронов явно указывает на направление, противоположное тому, с каким ассоциируется PN-переход! Обычный PN-переход не позволил бы потоку электронов протекать в этом «обратном» направлении, по крайней мере, не без значительного сопротивления. Однако открытый (насыщенный) транзистор демонстрирует очень малое противодействие электронам на всем пути от эмиттера к коллектору, о чем свидетельствует свечение лампы!

Ясно, что здесь происходит что-то, что бросает вызов простой «двухдиодной» модели биполярного транзистора. Когда я впервые узнал о работе транзистора, я попытался построить свой собственный транзистор из двух диодов, включенных в противоположных направлениях, как показано на рисунке ниже.

Пара включенных в противоположных направлениях диода не действуют как транзистор!

Моя схема не работала, и я был озадачен. Однако полезное «двухдиодное» описание транзистора может использоваться для проверки, оно не объясняет, почему транзистор ведет себя как управляемый ключ.

То, что происходит в транзисторе, заключается в следующем: обратное смещение перехода база-коллектор предотвращает протекание тока коллектора, когда транзистор находится в режиме отсечки (закрыт, т.е. при отсутствии тока базы). Если переход база-эмиттер смещен в прямом направлении с помощью управляющего сигнала, нормально блокирующее поведение перехода база-коллектор изменяется, и ток через коллектор пропускается, несмотря на то, что электроны через этот PN-переход идут «неправильно». Это поведение зависит от квантовой физики полупроводниковых переходов и может иметь место только тогда, когда два перехода расположены правильно, и концентрации легирования этих трех слоев распределены правильно. Два диода, соединенных последовательно, не соответствуют этим критериям; верхний диод никогда не может «включиться», когда он смещен в обратном направлении, независимо от того, какая величина тока проходит через нижний диод в схеме через вывод базы. Для более подробной информации смотрите раздел «Биполярные транзисторы» главы 2.

То, что концентрации легирования играют решающую роль в особых способностях транзистора, еще раз подтверждается тем фактом, что коллектор и эмиттер не являются взаимозаменяемыми. Если транзистор просто рассматривается как два противоположно направленных PN-перехода или просто как N-P-N или P-N-P сэндвич материалов, может показаться, что любой конец этого сэндвича может служить в качестве коллектора или эмиттера. Это, однако, неверно. При «противоположном» включении транзистора в схему, ток база-коллектор не сможет управлять током между коллектором и эмиттером. Несмотря на то, что эти оба слоя (эмиттер и коллектор) биполярного транзистора имеют один и тот же тип легирования (либо N, либо P), коллектор и эмиттер определенно не одинаковы!

Ток через переход эмиттер-база позволяет протекать току через обратно смещенный переход база-коллектор. Действие тока базы можно рассматривать как «открывание клапана» для тока через коллектор. Более конкретно, любая заданная величина тока от эмиттера к базе допускает протекание ограниченной величины тока от базы к коллектору. На каждый электрон, который проходит через переход эмиттер-база и через вывод базы, через переход база-коллектор проходит определенное количество электронов и не более.

В следующем разделе это ограничение тока транзистора будет исследовано более подробно.

Подведем итоги:

• При проверке с помощью мультиметра в режимах «сопротивление» и «проверка диода» биполярный транзистор ведет себя как два встречно направленных PN-перехода (диода).
• PN-переход эмиттер-база имеет несколько большее прямое падение напряжения, чем PN-переход коллектор-база, из-за более сильного легирования полупроводникового слоя эмиттера.
• Обратно смещенный переход база-коллектор обычно блокирует любой ток через транзистор между эмиттером и коллектором. Однако этот переход начинает проводить ток, если протекает ток и через вывод базы. Ток базы можно рассматривать как «открывание клапана» для определенной, ограниченной величины тока через коллектор.

Оригинал статьи:

Теги

PN переходБиполярный транзисторМультиметрОбучениеЭлектроника

Сохранить или поделиться

3. Биполярные транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

3.2.1. Схема с общей базой

3.2.2. Схема с общим эмиттером

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

3.7. Работа транзистора в усилительном режиме

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко — на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.

а)	б)
Рисунок 3.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n₁⁺-p меньше, чем у перехода n₂-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n₁ с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n₂).

Рисунок 3.2

Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n⁺). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n₁⁺) называется эмиттером, а область n₂ — коллектором. Соответственно переход n₁⁺-р называют эмиттерным, а n₂-pколлекторным.Средняя область (p) называется базовой (или базой). Правая область n⁺ служит для снижения сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э — эмиттер; Б — база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой — дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

а)	б)	в)
Рисунок 3.3.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер — база U_ЭБ), а на коллекторном переходе — обратное (напряжение коллектор — база U_КБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Рисунок 3.4.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название “коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный — обратное U_ЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания U_ЭБ и U_КБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (U_ЭБ = -U_БЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ. Так как U_ЭБ = -U_БЭ, тo U_КБ = U_КЭ — U_БЭ; при этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным — в другом случае. В схеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: U_КБ = -U_БК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: U_ЭБ = U_ЭК + U_КБ = U_ЭК — U_БК, при этом правило знаков прежнее.

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение U_ЭБ. Поэтому прямой ток перехода

, (3.1)

где I_{э р}, I_{э n} — инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а I_эрек — составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода I_э в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие I_эр и I_эn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода. Если вклад I_{э рек} незначителен, то вместо (3.1) можно записать

. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток I_{э р}, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера I_{э n} и I_{э рек} протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты I_{э n}, I_{э рек} должны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током I_{э рек}

. (3.4)

Коэффициент инжекции g _Э «тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение I_{э n}/ I_{э р}. Величина I_{э n}/ I_{э р} << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора N_АЭ на несколько порядков выше концентрации доноров N_ДБ в базе (N_АЭ >> N_ДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток I_Эр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок — неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок I_{Б рек}, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:

. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение c _Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами — основными носителями базовой области. Ток I_Брек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток I_Брек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей I_{Э n}.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить c _Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноров N_{д Б}. Это совпадает с требованием N_АЭ/N_ДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы W_Б и диффузионной длины дырок в базовой области L_{p Б}. Доказано, что имеется приближенное соотношение

. (3.7)

Например, при W_Б/L_{p Б} = 0,1 c _Б = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5)

(3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

, (3.9)

где

. (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называет статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую I_КБО, которая протекает в цепи коллектор — база при I_Э = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехода, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллектора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10)

. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:

, (3.12)

числитель которого (I_К — I_КБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, I_Кр. Обычно рабочие токи коллектора I_К значительно I_КБО, поэтому

. (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, I_К и I_Б принципиально меньше тока I_Э; при этом наименьшим является ток базы

. (3.16)

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмиттера

. (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (I_Э = 0, холостой ход), то I_Б = -I_КБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значении I^*_Э = I_КБО /(1-a ) ток I_Б = 0, а при дальнейшем увеличении I_Э (I_Э>I^*_Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь I_К с I_Б. Используя (3.11) и (3.15), получаем

, (3.18)

где

(3.19)

— статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть очень большим (b >>1). Например, при a = 0,99 b = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

. (3.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (I_К — I_КБО) к управляемой части базового тока (I_Б + I_КБО). Действительно, используя (3.14), получаем

.

Все составляющие последнего выражения зависят от I_Э и обращаются в нуль при I_Э = 0. Введя обозначение

, (3.21)

можно вместо (3.18) записать

. (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения I_КЭО это значение тока коллектора при нулевом токе базы (I_Б = 0) или при “обрыве” базы. При I_Б = 0

I_К = I_Э, поэтому ток I_КЭО проходит через все области транзистора и является “сквозным” током, что и отражается индексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие I_Б = 0).

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

3.2.1. Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях параметра U_КБ — напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

а)	б)
Рисунок 3.5

При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С ростом обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0 для p-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_Э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера I_Э0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости I_К = f(U_КБ) при заданных значениях параметра I_Э (рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора при I_Э = 0 и обратном напряжении |U_КБ < 0| подобна обратной ветви p-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11) I_К = I_КБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор — база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине (например, точка А’ на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требуется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где U_КБ < 0 (обратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение U_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) I_К = a I_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_Э. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_КБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_КБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту a . Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).

3.2.2. Схема с общим эмиттером

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_Б = f(U_БЭ), причем параметром является напряжение U_КЭ (рисунок 3.6,а). Для p-n-p транзистора отрицательное напряжение U_БЭ (U_БЭ < 0) означает прямое включение эмиттерного перехода, так как U_ЭБ = -U_БЭ > 0. Если при этом U_КЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении: U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_ЭБ > 0. Поэтому входная характеристика при U_КЭ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_ЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_КБ = U_ЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток.

а)	б)
Рисунок 3.6

Вторая характеристика на рисунке 3.6,а (U_{КЭ á} 0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_КЭ должно быть в p-n-p транзисторе отрицательным и по модулю превышать напряжение U_ЭБ. В этом случае (U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_КЭ — U_БЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения (3.14) или (3.17): I_Б =(1 — a )I_Э — I_КБО. При малом напряжении U_БЭ инжекция носителей практически отсутствует (I_Э = 0) и ток

I_Б = -I_КБО, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ = -U_БЭ вызывает рост I_Э и величины (1 — a ) I_Э. Когда (1 — a ) I_Э = I_КБО, ток I_Б = 0. При дальнейшем роете U_БЭ (1 — a ) I_Э > I_КБО и I_Б меняет направление и становится положительным (I_Б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_КЭ на I_Б в НАР можно объяснить тем, что рост |U_КЭ| означает рост |U_КБ| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ) при заданном параметре I_Б (рисунок 3.6,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном — к нормальному активному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях |U_КЭ|, превышающих |U_БЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение U_БЭ, а входной ток I_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока I_Б, который связан с входной характеристикой на рисунке 3.6,а. Для увеличения I_Б необходимо увеличивать |U_БЭ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_Б = 0 (“обрыв” базы), то в соответствии с (3.22) I_К = I_КЭО = (b + 1 ) I_КБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = I_КБО, если задать отрицательный ток I_Б = -I_КБО. Выходная характеристика с параметром I_Б = -I_КБО может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром I_Б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Э » b h_22Б) Объясняется это различным проявлением эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение U_КЭ, а следовательно и U_КБ сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регулировкой напряжения U_БЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора D I_К, т.е. увеличение выходной проводимости (в схеме с ОБ ток I_Э при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра аналогично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормальном активном режиме ток эмиттерного перехода можно представить формулой

.

С ростом температуры тепловой ток I_ЭО растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения j _Т = kT/q. В результате противоположного влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе I_Э на величину D U » (1…2) мВ/°С (рисунок 3.7,а).

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется тепловым током коллекторного перехода I_КБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении температуры опускается (рисунок 3.7, б).

а)	б)
Рисунок 3.7

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

и .

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (I_Э = const в схеме с ОБ и I_Б = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при I_Э = const рост I_К будет определяться только увеличением I_КБО (рисунок 3.8, а).

а)	б)
Рисунок 3.8

Однако обычно I_КБО значительно меньше a I_Э, изменение I_К составляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь параметром является I_Б и его надо поддерживать неизменным при изменении температуры. Будем считать в первом приближении, что коэффициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство b I_Б означает, что температурная зависимость I_К будет определяться слагаемым (b + 1)I_КБО. Ток I_КБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 прирост тока (b + 1)I_КБО может оказаться сравнимым с исходным значением коллекторного тока и даже превысить его.

На рисунке 3.8,б показано большое смещение выходных характеристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характеристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

Статические характеристики и их семейства наглядно связывают постоянные токи электродов с постоянными напряжениями на них. Однако часто возникает задача установить количественные связи между небольшими изменениями (дифференциалами) этих величин от их исходных значений. Эти связи характеризуют коэффициентами пропорциональности -дифференциальными параметрами.

Рассмотрим процедуру введения дифференциальных параметров БТ на примере наиболее распространенных h-параметров, приводимых в справочниках по транзисторам. Для введения этой системы параметров в качестве независимых переменных при описании статического режима берут входной ток I_ВХ (I_Э или I_Б) и выходное напряжение U_ВЫХ (U_KБ или (U_КЭ):

U₁= f (I₁,U₂) (3.23)

I₂= f (I₁,U₂)

В этом случае полные дифференциалы

(3.24)

Частные производные в выражениях (3.24) и являются дифференциальными h-napaметрами, т.е.

dU₁=h₁₁ d I₁ +h₁₂ dU₂ (3.25)

dI₂=h₂₁ dI₁ + h₂₂ dU₂

(h₁₁ -входное сопротивление, h₁₂ -коэффициент обратной передачи, h₂₁ -коэффициент передачи входного тока и h₂₂ -выходная проводимость). Названия и обозначения этих параметров взяты из теории четырехполюсников для переменного тока.

Приращения статических величин в нашем случае имитируют переменные токи и напряжения.

Для схемы с общей базой

dU_ЭБ=h_11Б d I_Э +h_12Б dU_КБ (3.26)

dI_К=h_21Б dI_Э + h_22Б dU_КБ

Эти уравнения устанавливают и способ нахождения по статическим характеристикам, и метод измерения h-параметров. Полагая dU_КБ = 0, т.е. U_КБ = const, можно найти h_11Б и h_21Б, а считая dI_Э = 0, т. е. I_Э = const. определить h_12Б и h_22Б.

Аналогично для схемы с общим эмиттером можно переписать (3.26) в виде

dU_БЭ=h_11Э d I_Б +h_12Э dU_КЭ (3.27)

dI_К=h_21Э dI_Б + h_22Э dU_КЭ

Связь h-параметров со статическими характеристиками схем с ОБ и ОЭ и их определение по ним рассмотрены в.

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

В качестве малосигнальных моделей могут быть использованы эквивалентные схемы с дифференциальными h-, у- и z-параметрами, которые имеют формальный характер и в которых отсутствуют непосредственная связь с физической структурой транзистора. Например, эквивалентная схема для системы Н-параметров приведена на рисунке.

Рисунок 3.9

Широкое распространение нашли эквивалентные схемы с так называемыми физическими параметрами, которые опираются на нелинейную динамическую модель Эберса — Молла, т.е. тесно связаны с физической структурой биполярного транзистора.

Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной динамической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока. Кроме того, в усилительных схемах используется либо нормальный активный, либо инверсный активный режим, а режим насыщения недопустим. Поэтому при переходе к малосигнальной схеме можно ограничиться рассмотрением наиболее распространенного нормального активного режима, так как результаты легко перенести и на инверсный активный режим. В этом случае можно исключить генератор тока и малосигнальную модель БТ для схемы включения с ОБ изобразить, как на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10

Поясним смысл элементов модели. Резистор R_Э представляет дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. В первом приближении его можно определить по формуле для идеализированного р-n перехода:

R_Э=dU/dI» j _T/I_Э, (3.28)

где I_Э— постоянная составляющая тока эмиттера. Так как при комнатной температуре j _т = 0,026 В, то при I_Э = 1 мА R_Э = 26 Ом.

Величина R_К называется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода. Оно обусловлено эффектом Эрли и может быть определено по наклону выходной характеристики:

. (3.29)

Величина R_К обратно пропорциональна значению параметра h_22Б. Дифференциальное сопротивление коллектора может составлять сотни килоом и мегаомы, тем не менее его следует учитывать.

Реактивные элементы модели (Сэ, Ск) оказались теперь присоединенными параллельно резисторам R_Э и R_К. Сопротивление базы r½ _ББ, которое может превышать сотни ом, всегда остается в модели.

r½ _ББ=h₁₂/h₂₂ . (3.30)

Приведенная эквивалентная малосигнальная модель БТ формально относится к схеме включения с ОБ. Однако она применима и для схемы с ОЭ. Для этого достаточно поменять местами плечи этой схемы, называемой Т-образной схемой с физическими параметрами. Электрод “Б” следует изобразить входным, а “Э” — общим, как показано на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11

Значения всех элементов остаются прежними. Однако при таком изображении появляется некоторое неудобство, связанное с тем, что зависимый генератор тока в коллекторной цепи выражается не через входной ток (ток базы). Этот недостаток легко устранить преобразованием схемы к виду, изображенному на рисунке 3.11. Чтобы обе схемы были равноценными четырехполюсниками, они должны иметь одинаковые параметры в режимах холостого хода и короткого замыкания. Это требует перехода от тока H_21БI_Э к току Н_21ЭI_Б и замены R_К и C_К на R_К^* и C_К^* соответственно. Связи этих величин определяются формулами

R_К^*=Н_21БR_К/ Н_21Э=R_К /( Н_21Э+1) , ( 3.31 )

С_К*= С_К( Н_21Э+1) . ( 3.32 )

Легко убедиться, что R_К^* характеризует наклон выходной характеристики (эффект Эрли) в схеме с ОЭ и связан с выходной проводимостью в этой схеме соотношением (5.43). Во сколько раз уменьшается R_К^* по сравнению с R_К, во столько же раз возрастает емкость С_K^* по сравнению с С_K, т.е. R_KC_K =R_K^*C_K^*.

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

Частотные свойства определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты. Для биполярных транзисторов используется зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в схемах ОБ и ОЭ Н_21Б и Н_21Э. Обычно рассматривается нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме вместо приращения токов необходимо брать комплексные амплитуды, поэтому и коэффициенты передачи заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами: Н_21Б и Н_21Э.

Величины Н_21Б и Н_21Э могут быть найдены двумя способами:

• решением дифференциальных уравнений физических процессов и определением из них токов;

• анализом Т-образной эквивалентной схемы по законам теории электрических цепей.

Во втором случае Н_21Б и Н_21Э будут выражены через величины электрических элементов схемы. Мы проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) n-р-n транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют С_Э, С_К и r½ _ББ, а также время пролета носителей через базу t _Б.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера Н_21Б, который становится комплексным, следующим образом:

_, (3.33 )

где Н_21Б0— коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте, f — текущая частота, f_Н21Б— предельная частота. Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен

( 3.34 ).

Не трудно заметить, что модуль коэффициента передачи ½ Н_21Б½ на предельной частоте f_Н21Б снижается в раз. Сдвиг по фазе между входным и выходным токами определяется формулой

. ( 3.35 )

Для схемы с ОЭ известно соотношение

( 3.36 ).

Подставляя (3.33) в (3.36) получим

(3.37),

где . Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

(3.38).

Как видно, частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Граничная частота f_ГР — это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи ½ Н_21Э½ =1. В итоге получим, что f_ГР» f_Н21Э× Н_21Э0.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности К_P> 1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

, ( 3.39 ).

где f_Н21Б — предельная частота в мегагерцах; r¹_ББ — объемное сопротивление в омах; C_К — емкость коллекторного перехода в пикофарадах; f_МАКС — в мегагерцах.

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

Рассмотренное выше позволяет сделать следующие выводы. Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) рекомендуется следующее.

1. Уменьшать время пролета инжектированных носителей в базовой области, т.е.

а) уменьшать ширину базовой области W_Б; б) создавать n-р-n транзисторы, так как подвижность электронов выше, чем у дырок, примерно в 2 раза; в) использовать германиевые БТ, так как в германии подвижность носителей выше. Еще большие возможности открывает использование арсенида галлия.

2. Создавать ускоряющее поле в базовой области для инжектированных из эмиттера носителей. Последнее возникает при неравномерном распределении примесей в базе по направлению от эмиттера к коллектору (рис. 5.31,б). Концентрацию около эмиттера делают примерно в 100 раз больше, чем около коллектора.

Рисунок 3.12

Появление поля объясняется просто. Так как концентрация основных носителей в любой точке базы (дырок n-р-n транзистора) приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесей N_a(х) одновременно будет и распределением дырок p(х). Под влиянием градиента концентрации дырок будет происходить их диффузионное движение к коллектору, приводящее к нарушению условия электрической нейтральности: около эмиттера будет избыток отрицательного заряда ионов акцепторов, а около коллектора — избыток положительного заряда дырок, которые приходят к коллекторному переходу, но не проходят через него.

Нарушение электрической нейтральности приводит к появлению внутреннего электрического поля в базовой области (минус у эмиттера, плюс у коллектора). Появляющееся поле, в свою очередь, вызовет встречное дрейфовое движение дырок. Нарастание поля и дрейфового потока будет происходить до того момента, когда дрейфовый и диффузионный токи дырок уравняются. Легко видеть, что установившееся (равновесное) значение поля будет ускоряющим для электронов, которые входят в рабочем режиме из эмиттера в базу и будут уменьшать их время пролета, т.е. повышать предельную частоту БТ.

Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, называются дрейфовыми, а обычные — бездрейфовыми. Практически все современные высокочастотные и сверхвысокочастотные БТ являются дрейфовыми.

Уменьшение времени пролета в базовой области n-р-n транзистора при экспоненциальном законе убывания концентрации акцепторов от N_а(0) до N_а(W_Б) учитывается коэффициентом неоднородности базы:

h =0,5ln[ N_А(0)/N_А(W_Б)]

Поэтому можно написать

Для бездрейфовых транзисторовh =0 , а типичные значения для дрейфовых транзисторов .

3. Уменьшать барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов путем уменьшения сечения областей транзистора и увеличения ширины переходов (выбором концентрации примесей и рабочего напряжения).

4. Уменьшать омическое сопротивление областей базы r½ _ББ.

5. Уменьшать время пролета носителей в области коллекторного перехода.

Следует отметить, что ряд требований несовместимы и необходимо при создании транзисторов применять компромиссные решения.

3.7. Работа транзистора в усилительном режиме

При работе транзистора в различных радиотехнических устройствах в его входную цепь поступают сигналы, например переменные напряжения. Под действием входного переменного напряжения изменяются входной и выходной токи транзистора.

Для выделения полезного сигнала в выходную цепь транзистора включают элементы нагрузки. В простейшем случае нагрузкой может служить резистор R_к. На резисторе нагрузки за счет прохождения выходного тока выделяется, кроме постоянного, переменное напряжение. Амплитуда этого напряжения зависит от амплитуды переменной составляющей выходного тока и сопротивления резистора R_к и может быть больше входного напряжения. Процесс усиления сигнала удобно рассмотреть на примере простейших усилителей.

Простейшая схема усилителя на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, показана на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13

Коллекторная цепь состоит из резистора R_к и источника Е_к, а цепь базы — из источников тока I_Б0 и I_Бm Источник I_Б0 обеспечивает положение исходной рабочей точке на участке характеристик с наименьшей нелинейностью. Источник I_Бm— источник сигнала. В качестве выходного используется переменное напряжение, выделяемое на резисторе нагрузки R_к (на коллекторе транзистора).

Работа такого усилителя поясняется временными диаграммами токов и напряжений, изображенными на рис. 3..

При I_Бm =0 токи базы и коллектора будут определяться токами в рабочей точке (I_{Б 0,} I_{К 0})и напряжением на коллекторе U_К0= Е_К-I_{К0 ×} R_к

Рисунок 3.14

Во время положительного полупериода входного тока (рис. 3.14.,а) прямое напряжение эмиттерного перехода увеличивается, что вызывает рост тока коллектора (рис. 3.14,б) и уменьшение напряжения U_КЭ за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении коллектора (рисунок 3.14,в). Если работа происходит на линейных участках характеристик транзистора, то формы переменных составляющих токов базы и коллектора совпадают с формой входного напряжения, а переменное напряжение на коллекторе, обусловленной переменной составляющей коллекторного тока, оказывается сдвинутым относительно входного напряжения на 180⁰. При соответствующем выборе сопротивления нагрузки R_к амплитуда переменного напряжения на выходе такого усилителя U_mвых=I_КmR_к может значительно превышать амплитуду входного напряжения.

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

Если транзистор работает в режиме усиления импульсных сигналов малой амплитуды, то такой режим работы в принципе не отличается от линейного усиления малых синусоидальных сигналов. Импульс в этом случае может быть представлен в виде суммы ряда гармонических составляющих. Зная частотные свойства транзистора, можно определить искажения формы импульсов, возникающие при усилении.

Схема импульсного усилителя не отличается от схемы усилителя гармонических сигналов (рисунок 3.13).

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

Биполярный транзистор широко используется в электронных устройствах в качестве ключа — функцией которого является замыкание и размыкание электрической цепи. Имея малое сопротивление во включенном состоянии и большое — в выключенном, биполярный транзистор достаточно полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ключевым элементам.

Схема транзисторного ключа показана на рисунке 3.15. Во входной цепи действуют источник смещения Е_БЭ, создающий обратное напряжение на эмиттерном переходе, источник управляющих импульсов прямого напряжения U_ВХ и ограничительный резистор R_Б. Обычно R_{Б> >} Н_11Э. В выходной цепи включены сопротивление нагрузки R_К и источник питания Е_КЭ.

Рисунок 3.15

Когда нет импульса на входе, транзистор находится в режиме отсечки и ток коллектора практически отсутствует I_К» I_КБ0 (точка А на выходных характеристиках (рисунок 3.16,б). Напряжение на выходе транзистора u_КЭ= Е_КЭ-I_К× R_К » Е_КЭ.

При подаче на вход транзистора импульсов прямого тока i_Б=(U_ВХ— E_БЭ)/R_Б=I_{Б НАС}, транзистор открывается, рабочая точка перемещается в точку Б (режим насыщения) и напряжение на коллекторе падает до значения u_КЭ= Е_КЭ-I_{К НАС,} R_К=U_{КЭ ОСТ}. При дальнейшем увеличении тока базы ток коллектора не увеличивается (рисунок 3.16,а) и напряжение на коллекторе не изменяется (рисунок 3.16,б).

а)	б)
Рисунок 3.16

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

При практическом использовании транзистора большое значение имеет скорость переключения, обуславливающая быстродействие аппаратуры. Скорость переключения определяется процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и коллекторе транзистора, эмиттерном и коллекторном переходах.

В эмиттерном и коллекторном переходах находятся нескомпенсированные заряды неподвижных ионизированных атомов примеси — доноров и акцепторов; неравновесный заряд отсечки в базе можно считать равным нулю.

При переходе к режиму насыщения эмиттерный переход открывается, толщина перехода и его нескомпенсированный заряд уменьшаются, происходит как бы разряд ёмкости эмиттерного перехода. В следствии понижения напряжения на коллекторе, уменьшается его толщина и заряд в нем, т.е. происходит разряд ёмкости коллекторного перехода, открывается коллекторный переход и в области базы за счет инжекции электронов из эмиттерного и коллекторного переходах накапливается большой неравновесный заряд насыщения. В транзисторах, имеющих высокоомный коллектор носители заряда инжектируют и в область коллектора, где так же накапливается неравновесный заряд.

Графики напряжений и токов транзистора при переключении даны на рисунке 3.17. На базу транзистора подается прямоугольный импульс напряжения U_ВХ-E_БЭ (рисунок 3.17,а).

График входного тока показан на рисунке 3.17,б. Величина импульса прямого тока базы I_{Б ПР} определяется в основном сопротивлением ограничительного резистора R_Б.

После переключения эмиттерного перехода на обратное направление ток перехода, как и в диоде, имеет первоначально большую величину, ограниченную лишь сопротивлением R_Б: I_{Б ОБР}= E_Б/ R_Б, так как сопротивление эмиттерного перехода в первый момент после переключения очень мало вследствие насыщения базы неравновесными носителями заряда (рисунок 3.17,г).

При прямоугольной форме импульса входного тока импульс выходного тока i_К (рисунок 3.17,в) появляется с задержкой t_З, которая определяется главным образом скоростью нарастания напряжения эмиттерного перехода, зависящей от величин ёмкости перехода и прямого тока базы, т.е. скоростью разряда эмиттерного перехода.

После того как транзистор перейдет из режима отсечки в активный режим, коллекторный ток начинает постепенно нарастать, достигая установившегося значения а время t_н. Это время определяется скоростью накопления неравновесного заряда в базе и скоростью разряда емкости коллектора. Таким образом, полное время включения транзистора состоит из времени задержки и времени нарастания:

.

Практически оно может иметь величину от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд в зависимости от параметров транзистора.

После подачи в цепь базы запирающего тока I_{Б ОБР}=E_БЭ/R_Б выходной коллекторный ток прекращается не сразу. На протяжении некоторого времени рассасывания t_p он практически сохраняет свою величину, так как концентрация носителей заряда в базе у коллекторного перехода еще остается выше равновесной и коллекторный переход благодаря этому оказывается открытым.

Лишь после того как неравновесный заряд у коллекторного перехода рассосется за счет ухода электронов из базы и рекомбинации, ток коллектора начинает постепенно спадать, достигая время спада t_С установившегося значения I_KЭ0. В течении этого времени продолжается рассасывание неравновесного заряда базы и происходит перезаряд емкости коллекторного перехода. Заметим, что эмиттерный переход при этом может закрыться раньше или позже коллекторного в зависимости от скорости рассасывания неравновесного заряда, сосредоточенного поблизости от него.

Процесс накопления и рассасывания неравновесного заряда q_Б при переключении транзистора поясняется на рисунке 3.17,г. Накопление неравновесного заряда в базе начинается спустя время задержки t_з, и заряд за время нарастания t_н достигает установившегося значения q_Б=Q_акт. Далее вследствие падения коллекторного напряжения до величины U_{КЭ ОСТ<} U_БЭ коллекторный переход открывается и начинает инжектировать неравновесные носители заряда в базу. Заряд базы снова возрастает, достигая к концу входного импульса значения q_Б=Q_нас. После переключения напряжения эмиттерного перехода на обратное происходит рассасывание неравновесного заряда базы, за время t_Р+t_С он достигает нулевого значения.

Биполярные транзисторы полное описание | Техника и Программы

Оглавление
Характеристики биполярного транзистора

Страница 1 из 2

 

 

 

 

 

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два электронно-дырочных перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.
Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р и n-р-n. Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер.

Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-n-р.
Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низкочастотных не превышает 50 мкм.
При работе транзистора на его переходы поступают внешние напряжения от источника питания. В зависимости от полярности этих напряжений каждый переход может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении. Различают три режима работы транзистора: 1) режим отсечки — оба перехода и, соответственно, транзистор полностью закрыты; 2) режим насыщения — транзистор полностью открыт;3) активный режим — это режим, промежуточный между двумя первыми. Режимы отсечки и насыщения совместно применяются в ключевых каскадах, когда транзистор попеременно то полностью   открыт,   то   полностью   заперт   с   частотой импульсов, поступающих на его базу. Каскады, работающие в ключевом режиме, применяются в импульсных схемах (импульсные блоки питания, выходные каскады строчной развертки телевизоров и др.). Частично в режиме отсечки могут работать выходные каскады усилителей мощности.
Наиболее часто транзисторы применяются в активном режиме. Такой режим определяется подачей на базу транзистора напряжения небольшой величины, которое называется напряжением смещения (U см.) Транзистор приоткрывается и через его переходы начинает течь ток. Принцип работы транзистора основан на том, что относительно небольшой ток, текущий через эмиттерный переход (ток базы), управляет током большей величины в цепи коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора.

 

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (I_ЭБО) И коллектора (I_КБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

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 U_ЭБ и U_КБ. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I_Э.нас) и коллектора (I_К.нас).

Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора.
При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.

Под действием прямого напряжения U_ЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора  I_Кpне может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому I_Kp= h_21Б I_э
Величина h_21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов  h_21Б = 0,90…0,998. Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток I_КБО, образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой
Iк =h21БI_э + I_КБО
Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток I_Б.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы
I_Б = I_Б.рек — I_КБО
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.

 

В предыдущей схеме электрическая цепь, образованная источником U_ЭБ, эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником U_КБ, коллектором и базой этого же транзистора,— выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».
На  следующем рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ».

 

 

K_I – коэффициент усиления по току

K_U – коэффициент усиления по напряжению

K_P– коэффициент усиления по мощности

 

Предыдущая страница – Следующая страница

Биполярные переходные транзисторы Вопросы и ответы

1. Объясните, почему обычный переходной транзистор называется биполярным?

Поскольку работа транзистора осуществляется двумя типами носителей заряда (основными и неосновными), обычный транзистор называется биполярным.

2. Почему транзистор называется устройством с управляемым током?

Выходное напряжение, ток или мощность регулируются входным током в транзисторе.Так оно и называется устройством, управляемым током.

3. Объясните, что означает острие стрелки в символе транзистора?

На эмиттере всегда нанесена стрелка. Направление указывало обычное направление потока тока (от эмиттера к базе в случае транзистора p-n-p и от базы к эмиттеру в случае транзистора n-p-n). Обычно коллектор не обозначается стрелкой, так как его обратный ток утечки всегда противоположен направлению тока эмиттера.

4. Обсудите необходимость смещения транзистора.

Для нормальной работы переход база-эмиттер должен иметь прямое смещение, а переход коллектор-база — обратное. Величина требуемого смещения важна для установления рабочей или Q-точки, которая продиктована желаемым режимом работы.

Если транзистор не смещен должным образом, это будет:

• работают неэффективно
• искажение выходного сигнала
• при изменении параметров транзистора или повышении температуры рабочая точка может сместиться и выход усилителя будет нестабильным.

5. Объясните, что такое «эффективная инжекция эмиттера» и «базовый транспортный коэффициент» и как они влияют на работу транзистора?

Отношение тока инжектированных носителей на эмиттерном переходе к полному эмиттерному току называется эффективностью эмиттерного перехода. Отношение тока коллектора к току базы известно как коэффициент переноса

.

т.е. β * = IC / IB

Чем больше значение эффективности инжекции эмиттера, тем больше инжектируемые носители на эмиттерном переходе, и это увеличивает ток коллектора.Чем больше значение β *, тем больше вводятся носители через коллекторный переход и, следовательно, увеличивается ток коллектора.

6. Какой ток транзистора всегда наибольший? Какая всегда самая маленькая? Какие два течения относительно близки по величине?

IE тока эмиттера всегда самый большой. Базовый ток IB всегда наименьший. Ток коллектора IC и ток эмиттера IE относительно близки по величине.

7.Почему транзисторы кремниевого типа используются чаще, чем германиевые?

Поскольку кремниевый транзистор имеет меньший ток отсечки ICBO, небольшие отклонения ICBO из-за изменений температуры и высокой рабочей температуры по сравнению с таковыми в случае германиевого типа.

8. Почему коллектор делают больше эмиттера и базы?

Коллектор

физически больше эмиттера и базы, потому что коллектор должен рассеивать большую мощность.

9.Почему ширина базовой области транзистора остается очень маленькой по сравнению с другими областями?

Базовая область транзистора остается очень маленькой и очень слабо легированной, чтобы пропускать большую часть инжектированных носителей заряда к коллектору.

10. Почему эмиттер всегда смещен вперед?

Эмиттер всегда смещен в прямом направлении относительно базы, чтобы подавать на базу большинство носителей заряда.

11. Почему коллектор всегда имеет обратное смещение w.r.t база?

Коллектор всегда имеет обратное смещение относительно базы, чтобы удалить носители заряда из перехода база-коллектор.

12. Можно ли получить транзистор, соединив два полупроводниковых диода друг за другом?

Нет. Потому что в случае двух дискретных последовательно соединенных диодов имеется четыре легированных области вместо трех и нет ничего, что напоминало бы тонкую базовую область между эмиттером и коллектором.

13.Как α и β связаны друг с другом?

α и β связаны следующим образом:

α = β / (1+ β) или β = α / (1- α)

14. Определите бета транзистора.

Транзистор с коэффициентом β представляет собой коэффициент усиления по току общего эмиттера этого транзистора и определяется как отношение тока коллектора к току базы:

Β = IC / IB

15. Почему существует максимальный предел напряжения питания коллектора для транзистора?

Хотя ток коллектора практически не зависит от напряжения питания коллектора во всем рабочем диапазоне транзистора, но если VCB превышает определенное значение, ток коллектора IC в конечном итоге быстро увеличивается и, возможно, разрушает устройство.

16. Объясните почему ICEO >> ICBO?

Ток отключения коллектора, обозначенный ICBO, намного больше, чем ICBO. ICEO дается как:

ICEO = ICBO / (1-α)

Поскольку α почти равно единице (немного меньше единицы), ICEO >> ICBO

17. Почему конфигурация CE наиболее популярна в схемах усилителей?

Конфигурация

CE используется в основном из-за того, что ее коэффициент усиления по току, напряжению и мощности достаточно высок, а соотношение выходного и входного сопротивления довольно умеренное.

18. Почему конфигурация CC называется буфером напряжения? Объясните, что есть другое имя?

Из-за высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления схема с общим коллектором находит широкое применение в качестве буферного усилителя между источником с высоким импедансом и нагрузкой с низким сопротивлением. он называется буфером напряжения. Другое его название — эмиттер-повторитель.

19. Объясните, для каких основных целей можно использовать усилитель CC.

Из-за высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления схема с общим коллектором находит широкое применение в качестве буферного усилителя между источником с высоким импедансом и нагрузкой с низким сопротивлением.

20. Какая конфигурация из CE, CB, CC дает наибольшее входное сопротивление и отсутствие усиления по напряжению?

Конфигурация с общим коллектором имеет наивысший входной импеданс и коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.

21. Объясните, что вы понимаете под обратным насыщением коллектора? В какой конфигурации он имеет большее значение?

Когда входной ток (IE в случае конфигурации CB и IB в случае конфигурации CE) равен нулю, ток коллектора IC не равен нулю, хотя он очень мал.Фактически это обратный ток утечки или обратный ток насыщения коллектора (ICBO или просто ICO в конфигурации CB и ICEO в конфигурации CE). В случае конфигурации CE это намного больше, чем в случае конфигурации CB.

22. Объясните, что подразумевается под рабочей точкой?

Точка покоя — это точка на линии нагрузки постоянного тока, которая представляет VCE и IC в отсутствие сигнала переменного тока, и изменения в VCE и IC происходят вокруг этой точки при подаче сигнала переменного тока.

23. Объясните, как BJT можно использовать в качестве усилителя.

Транзистор работает как усилитель, передавая ток от контура с низким импедансом к контуру с высоким импедансом.

Биполярные переходные транзисторы

— Вопросы и ответы для электронных устройств

Почему в электронных устройствах биполярные переходные транзисторы?

В этом разделе вы можете выучить и попрактиковаться в вопросах для электронных устройств на основе «Биполярных переходных транзисторов» и улучшить свои навыки, чтобы пройти собеседование, конкурсный экзамен и различные вступительные испытания (CAT, GATE, GRE, MAT, банковский экзамен, железнодорожный экзамен). и т.п.) с полной уверенностью.

Где я могу получить вопросы и ответы о биполярных переходных транзисторах для электронных устройств?

IndiaBIX предоставляет вам множество полностью решенных вопросов и ответов по электронным устройствам (биполярные переходные транзисторы) с пояснениями. Решенные примеры с подробным описанием ответов, даны пояснения, которые легко понять. Все студенты и первокурсники могут загрузить вопросы викторины по биполярным переходным транзисторам для электронных устройств с ответами в виде файлов PDF и электронных книг.

Где я могу получить электронные устройства Биполярные переходные транзисторы Вопросы и ответы на собеседовании (тип цели, множественный выбор)?

Здесь вы можете найти вопросы и ответы для собеседований и вступительных экзаменов, связанные с биполярными переходными транзисторами для электронных устройств. Также предусмотрены вопросы с множественным выбором, а также вопросы истинного или ложного типа.

Как решить проблемы с биполярными переходными транзисторами электронных устройств?

Вы можете легко решить все вопросы, связанные с электронными устройствами, основанными на биполярных переходных транзисторах, выполнив упражнения объективного типа, приведенные ниже, а также получите быстрые методы решения проблем с биполярными переходными транзисторами электронных устройств.

Упражнение «Биполярные переходные транзисторы. Общие вопросы»

---

---

---

---

---

---

---

---

300+ TOP Биполярные переходные транзисторы (BJT) Вопросы и ответы pdf

Биполярные переходные транзисторы (БЮТ) Вопросы: —

1. Почему обычный переходной транзистор называется биполярным?

Поскольку работа транзистора осуществляется двумя типами носителей заряда (основными и неосновными), обычный транзистор называется биполярным.

2. Почему транзистор называется устройством с управляемым током?

Выходное напряжение, ток или мощность регулируются входным током в транзисторе. Так оно и называется устройством, управляемым током.

3. Определите, что означает острие стрелки в символе транзистора?

На эмиттере всегда нанесена стрелка. Направление указывало обычное направление потока тока (от эмиттера к базе в случае транзистора p-n-p и от базы к эмиттеру в случае транзистора n-p-n).Обычно коллектор не обозначается стрелкой, так как его обратный ток утечки всегда противоположен направлению тока эмиттера.

4. Обсудите необходимость смещения транзистора.

Для нормальной работы переход база-эмиттер должен иметь прямое смещение, а переход коллектор-база — обратное. Величина требуемого смещения важна для установления рабочей или Q-точки, которая продиктована желаемым режимом работы.

Если транзистор не смещен должным образом, это будет:

• работают неэффективно
• искажение выходного сигнала
• при изменении параметров транзистора или повышении температуры рабочая точка может сместиться и выход усилителя будет нестабильным.

5. Что такое «эффективная инжекция эмиттера» и «базовый транспортный коэффициент» и как они влияют на работу транзистора?

Отношение тока инжектированных носителей на эмиттерном переходе к полному эмиттерному току называется эффективностью эмиттерного перехода. Отношение тока коллектора к току базы известно как коэффициент переноса

.

т.е. β * = IC / IB

Чем больше значение эффективности инжекции эмиттера, тем больше инжектируемые носители на эмиттерном переходе, и это увеличивает ток коллектора.Чем больше значение β *, тем больше вводятся носители через коллекторный переход и, следовательно, увеличивается ток коллектора.

6. Какой ток транзистора всегда наибольший? Какая всегда самая маленькая? Какие два течения относительно близки по величине?

IE тока эмиттера всегда самый большой. Базовый ток IB всегда наименьший. Ток коллектора IC и ток эмиттера IE относительно близки по величине.

7.Почему транзисторы кремниевого типа используются чаще, чем германиевые?

Поскольку кремниевый транзистор имеет меньший ток отсечки ICBO, небольшие отклонения ICBO из-за изменений температуры и высокой рабочей температуры по сравнению с таковыми в случае германиевого типа.

8. Почему коллектор делают больше эмиттера и базы?

Коллектор

физически больше эмиттера и базы, потому что коллектор должен рассеивать большую мощность.

9.Почему ширина базовой области транзистора остается очень маленькой по сравнению с другими областями?

Базовая область транзистора остается очень маленькой и очень слабо легированной, чтобы пропускать большую часть инжектированных носителей заряда к коллектору.

10. Почему эмиттер всегда смещен вперед?

Эмиттер всегда смещен в прямом направлении относительно базы, чтобы подавать на базу большинство носителей заряда.

Bipolar Junction Transistors (BJTs) Interview Вопросы и ответы ::

11.Почему коллектор всегда имеет обратное смещение относительно базы?

Коллектор всегда имеет обратное смещение относительно базы, чтобы удалить носители заряда из перехода база-коллектор.

12. Можно ли получить транзистор, соединив два полупроводниковых диода друг за другом?

Нет. Потому что в случае двух дискретных последовательно соединенных диодов имеется четыре легированных области вместо трех и нет ничего, что напоминало бы тонкую базовую область между эмиттером и коллектором.

13. Как α и β связаны друг с другом?

α и β связаны следующим образом:

α = β / (1+ β) или β = α / (1- α)

14. Определите бета транзистора.

Транзистор с коэффициентом β представляет собой коэффициент усиления по току общего эмиттера этого транзистора и определяется как отношение тока коллектора к току базы:

Β = IC / IB

15. Почему существует максимальный предел напряжения питания коллектора для транзистора?

Хотя ток коллектора практически не зависит от напряжения питания коллектора во всем рабочем диапазоне транзистора, но если VCB превышает определенное значение, ток коллектора IC в конечном итоге быстро увеличивается и, возможно, разрушает устройство.

16. Определите, почему ICEO >> ICBO?

Ток отключения коллектора, обозначенный ICBO, намного больше, чем ICBO. ICEO дается как:

ICEO = ICBO / (1-α)

Поскольку α почти равно единице (немного меньше единицы), ICEO >> ICBO

17. Почему конфигурация CE наиболее популярна в схемах усилителей?

Конфигурация

CE используется в основном из-за того, что ее коэффициент усиления по току, напряжению и мощности достаточно высок, а соотношение выходного и входного сопротивления довольно умеренное.

18. Почему конфигурация CC называется буфером напряжения? Определите, что есть другое имя?

Из-за высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления схема с общим коллектором находит широкое применение в качестве буферного усилителя между источником с высоким импедансом и нагрузкой с низким сопротивлением. он называется буфером напряжения. Другое его название — эмиттер-повторитель.

19. Определите основные цели, для которых может использоваться усилитель CC.

Из-за высокого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления схема с общим коллектором находит широкое применение в качестве буферного усилителя между источником с высоким импедансом и нагрузкой с низким сопротивлением.

20. Какая конфигурация из CE, CB, CC дает наибольшее входное сопротивление и отсутствие усиления по напряжению?

Конфигурация с общим коллектором имеет наивысший входной импеданс и коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.

21. Определите, что вы понимаете под обратным насыщением коллектора? В какой конфигурации он имеет большее значение?

Когда входной ток (IE в случае конфигурации CB и IB в случае конфигурации CE) равен нулю, ток коллектора IC не равен нулю, хотя он очень мал.Фактически это обратный ток утечки или обратный ток насыщения коллектора (ICBO или просто ICO в конфигурации CB и ICEO в конфигурации CE). В случае конфигурации CE это намного больше, чем в случае конфигурации CB.

22. Определите, что подразумевается под рабочей точкой?

Текущая точка — это точка на линии нагрузки постоянного тока, которая представляет VCE и IC в отсутствие сигнала переменного тока, и изменения VCE и IC происходят вокруг этой точки при подаче сигнала переменного тока.

23. Как BJT можно использовать в качестве усилителя.

Транзистор работает как усилитель, передавая ток от контура с низким импедансом к контуру с высоким импедансом.

Биполярные переходные транзисторы (БЮТ) Вопросы и ответы pdf скачать бесплатно ::

Просмотры сообщений: 343

Биполярный переходной транзистор (BJT)

Биполярный переходный транзистор (BJT) (Внешняя ссылка в Википедии)

Биполярный переходный транзистор (BJT) имеет три клеммы, подключенные к трем. легированные полупроводниковые области.В NPN-транзисторе тонкий и слаболегированный Основание P-типа зажато между сильно легированным эмиттером N-типа и другой коллектор N-типа ; в то время как в транзисторе PNP тонкий и легированный N-тип основание зажато между сильно легированным P-типом Эмиттер и другой коллектор П-типа . В дальнейшем мы будем рассматривать только NPN BJT.

На многих схемах транзисторных цепей (особенно при наличии большое количество транзисторов в схеме) кружок в условном обозначении транзистор отсутствует.На рисунках ниже показано сечение двух Транзисторы NPN. Обратите внимание, что хотя и коллектор, и эмиттер Транзисторы изготовлены из полупроводникового материала N-типа, полностью другая геометрия и поэтому не подлежат замене местами.

Все ранее рассмотренные компоненты (резистор, конденсатор, индуктор и диод) имеют два вывода (вывода) и поэтому могут характеризоваться единственная связь между протекающим током и напряжением через два отведения.Иначе транзистор — это трехконтактный компонент, которую можно рассматривать как двухпортовую сеть с входным портом и выходной порт, каждый из которых образован двумя из трех терминалов и характеризуется соотношением входных и выходных токов и напряжений.

В зависимости от того, какая из трех клемм используется в качестве общей клеммы, существует может быть три возможных конфигурации для двухпортовой сети, образованной транзистор:

• Общий эмиттер (CE),
• Общая база (CB),
• Коллектор общий (CC).

• Конфигурация Common-Base (CB)

  Конфигурацию CB можно рассматривать как схему с 2 портами. Вход Порт образован эмиттером и базой, выходной порт образован коллектор и база. Применяются два напряжения и соответственно к эмиттеру и коллектору, относительно общая база, так что соединение BE смещено вперед, в то время как Переход CB имеет обратное смещение.

  Полярность и направление, связанные с PN-переходы между E и B такие же, как и связанные с диод, полярность напряжения: положительный на P, отрицательный на N, ток направление: от P до N, но и направление связаны с PN-переходом между базой и коллектором. определяется противоположным образом.

  Поведение NPN-транзистора определяется двумя его PN-переходами:

  • PN-переход база-эмиттер (BE) с прямым смещением позволяет основные носители заряда, электроны, в эмиттере N-типа через PN-переход к базе P-типа, образуя эмиттерный ток.
  • Поскольку основа тонкая и слегка легированная, только небольшое количество электроны из эмиттера (например, 1%) объединяются с большинство носителей, отверстия, в основании P-типа для формирования основания текущий .Процент зависит от легирования и геометрии материала.
  • Большая часть электронов из эмиттера (например, 99%), теперь неосновные носители в базе P-типа, могут пройти обратный смещенный PN-переход коллектор-база для прихода к коллектору N-типа формирование коллектора тока .

  Коэффициент усиления по току или коэффициент передачи тока этой цепи выключателя, обозначается, определяется как отношение между током коллектора рассматривается как выход, а ток эмиттера рассматривается как ввод:

  e.г.

  (8)

  т.е.
  

  Соотношения между током и напряжением на входе и выходные порты описываются следующими входами и выходами характеристики.

  • Входные характеристики:

    Входной ток является функцией, а также входного напряжение, которое намного преобладает:

    (10)

    Обратите внимание, что это мало влияет на. Здесь и связанный с PN-переходом эмиттер-база удовлетворяют соотношению для диода:

    (11)

    Напряжение на смещенном в прямом направлении PN-переходе можно приблизительно определить по .
  • Выходные характеристики:

    Выходной ток является функцией выходного напряжения. а также входной ток, который намного преобладает:

    (12)

    As, т.е. переход CB обратный предвзято, ток зависит только от. Когда , ток вызван пересечением неосновных носителей заряда PN-переход. Это похоже на диод ток-напряжение. характеристики, замеченные ранее, за исключением того, что обе оси перевернуты ( полярность и направление противоположно определены).Когда увеличивается, является соответственно увеличился. Однако, поскольку выше не вызывает больше электронов из эмиттера, на это мало влияет.

    Обратите внимание, когда PN-переход между базой и коллектором не смещен (замкнут накоротко), коллектор еще ненулевой ток, образованный электронами, выходящими из эмиттера, через оба PN-перехода, чтобы сформировать ток замкнутого контура.

• Конфигурация с общим эмиттером (CE)

  Два напряжения и приложены соответственно к базе и коллектор по отношению к общему эмиттеру.Обычно , т.е. переход BE смещен вперед, в то время как CB переход имеет обратное смещение, как и конфигурация CB. Напряжения конфигураций CB и CE связаны между собой:

  или

  (13)

  Конфигурацию CE можно рассматривать как 2-портовую схему. Вход Порт образован эмиттером и базой, выходной порт образован коллектор и эмиттер. Текущее усиление цепи CE, обозначенное по, определяется как отношение между током коллектора рассматривается как выход, а базовый ток — как вход:

  (14)

  Например, если , тогда .

  Эти два параметра и связаны любым из следующий:

  (15)

  Соотношения между током и напряжением на входе и выходные порты описываются следующими входами и выходами характеристики.

Соотношение между входным и выходным токами CB и CE конфигурации приведены ниже:

(18)

• Общая база:

  
  

  
  
• Общий эмиттер:

  
  

  
  

Коллекторные характеристики с общей базой (CB) и с общим эмиттером (CE) конфигурации имеют следующие отличия:

• В цепи выключателя немного меньше, а в цепи CE намного больше, чем.
• В цепи выключателя, когда; в то время как в цепи CE когда (как имеет эффект подавления).
• Увеличено немного увеличится но больше сильно увеличить , тем самым вызывая больше значительно увеличился.
• в CB является функцией двух переменных и, но первое гораздо более значимо, чем второе. в CE является функцией двух переменных и, но первое гораздо более значимо, чем второе.
• в CB является функцией двух переменных и.Когда маленький, его небольшое увеличение вызовет значительное увеличение оф. Но его дальнейшее увеличение не вызовет особых изменений в должной мере. до насыщения (все доступные носители заряда движутся со скоростью насыщения прибыть в коллектор C), в основном определяется.
• в CE является функцией двух переменных и. Когда мал ( ), его небольшое увеличение вызовет значительное увеличение. Но когда , его дальнейшее увеличение не вызовет больших изменений из-за насыщения (весь доступный заряд носители движутся со скоростью насыщения и достигают коллектора C), в основном определяется.

Различные параметры транзистора изменяются в зависимости от температуры. Например, увеличивается вместе с температурой.

Узнайте об электронике — тест на биполярные переходные транзисторы

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Понимать использование обычных графиков характеристик транзисторов.
• • Передаточные характеристики.
• • Входные и выходные характеристики.
• • Взаимные характеристики.
• При описании работы переходных транзисторов.

BJT — это транзистор, управляемый током, что означает, что ток, протекающий между эмиттером и коллектором транзистора, намного больше, чем ток между базой и эмиттером. Таким образом, небольшой базовый ток контролирует гораздо больший ток коллектора / эмиттера.Отношение двух токов I _CE / I _BE является постоянным при условии, что напряжение коллектора-эмиттера V _CE является постоянным. Следовательно, если ток базы увеличивается, ток коллектора увеличивается.

Рис. 3.5.1 Передаточная характеристика.

Передаточная характеристика BJT

Это отношение представляет собой УСИЛЕНИЕ ТОКА транзистора и обозначается символом h _fe . Транзистор с довольно низким коэффициентом усиления может иметь коэффициент усиления по току от 20 до 50, в то время как тип с высоким коэффициентом усиления может иметь коэффициент усиления от 300 до 800 или более.Разброс значений h _fe для любого конкретного транзистора довольно велик, даже для транзисторов одного типа и партии. График I _CE / I _BE , показанный на рис. 3.5.1, называется ПЕРЕДАЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ, а наклон графика показывает h _fe для этого транзистора.

Характеристические кривые (графики) могут быть построены, чтобы показать другие параметры транзистора, и используются как для детализации характеристик конкретного устройства, так и в качестве помощи при проектировании усилителей.Показанные здесь примеры типичны для BJT, когда они используются в качестве усилителей напряжения.

Входная характеристика BJT

Рис. 3.5.2 Входная характеристика.

ВХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (рис. 3.5.2), график зависимости тока базового эмиттера I _BE от напряжения базового эмиттера V _BE (I _BE / V _BE ) показывает входную ПРОВОДИМОСТЬ транзистора. Поскольку проводимость I / V является обратной величиной СОПРОТИВЛЕНИЯ (V / I), эту кривую можно использовать для определения входного сопротивления транзистора.Крутизна этой конкретной кривой, когда напряжение V _BE превышает 1 вольт, показывает, что входная проводимость очень высока, и есть большое увеличение тока (на практике обычно достаточно, чтобы разрушить транзистор!) Для очень небольшого увеличения. в V _BE . Следовательно, входное СОПРОТИВЛЕНИЕ должно быть низким. График кривых составляет примерно от 0,6 до 0,7 вольт, показывая, что входное сопротивление транзистора изменяется в зависимости от протекающего тока базы, и ниже примерно 0,5 вольт базовый ток прекращается.

Выходная характеристика BJT

Рис. 3.5.3 Выходная характеристика.

На рис. 3.5.3 показана ВЫХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, наклон которой дает значение выходной проводимости (и, следовательно, выходного сопротивления). Почти горизонтальные части линий графика показывают, что изменение напряжения коллектор-эмиттер V _CE почти не влияет на ток коллектора в этой области, как раз тот эффект, которого следовало ожидать, если бы на выходе транзистора последовательно с ним был установлен резистор большого номинала. .Поэтому график показывает, что выходное сопротивление транзистора высокое.

Эти характеристические графики показывают, что для кремниевого транзистора с входом, применяемым между базой и эмиттером, и выходом, принимаемым между коллектором и эмиттером (метод соединения, называемый режимом общего эмиттера), можно было бы ожидать;

• • Низкое входное сопротивление (от входной характеристики).
• • Достаточно высокий коэффициент усиления (от передаточной характеристики).
• • Высокое выходное сопротивление (от выходной характеристики).

Взаимная характеристика BJT

Рис. 3.5.4 Взаимная характеристика.

На рис. 3.5.4 ВЗАИМНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА показывает график ВЗАИМНОЙ ПРОВОДИМОСТИ I _C / V _BE и иллюстрирует изменение тока коллектора, которое имеет место при заданном изменении напряжения базы-эмиттера (т.е. напряжения входного сигнала). . Этот график для типичного кремниевого силового транзистора. Обратите внимание на возможные большие токи коллектора и почти линейную зависимость между входным напряжением и выходным током.

Характеристики, описанные на этой странице, относятся к типичному силовому транзистору, подключенному в режиме «общий эмиттер». Это один из трех возможных режимов подключения транзистора, описанных в модуле 3.6 BJT. — Транзисторные соединения.

Примечание: во многих транзисторах токи будут намного меньше, чем показано в этих примерах. Для усилителей слабого сигнала базовые токи будут составлять несколько микроампер, а не миллиампер.

Начало страницы

% PDF-1.2 % 604 0 объект > endobj xref 604 73 0000000016 00000 н. 0000001829 00000 н. 0000002001 00000 н. 0000002141 00000 п. 0000003870 00000 н. 0000004028 00000 н. 0000004094 00000 н. 0000004188 00000 п. 0000004286 00000 п. 0000004456 00000 п. 0000004635 00000 н. 0000004757 00000 н. 0000004887 00000 н. 0000005015 00000 н. 0000005136 00000 п. 0000005284 00000 п. 0000005397 00000 н. 0000005538 00000 п 0000005699 00000 н. 0000005805 00000 н. 0000005914 00000 н. 0000006021 00000 н. 0000006129 00000 н. 0000006251 00000 н. 0000006375 00000 н. 0000006546 00000 н. 0000006740 00000 н. 0000006845 00000 н. 0000006995 00000 н. 0000007175 00000 н. 0000007284 00000 н. 0000007391 00000 н. 0000007555 00000 н. 0000007672 00000 н. 0000007778 00000 н. 0000007891 00000 н. 0000008014 00000 н. 0000008144 00000 п. 0000008274 00000 н. 0000008433 00000 н.