Биполярные транзисторы: устройство, принцип действия, режимы работы, система параметров и характеристик.

 

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя выпрямляющими электрическими переходами, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. В качестве выпрямляющего перехода используется р-n переход, термин «биполярный» применяется потому, что используются носители зарядов любых типов.

Устройство биполярных транзисторов. Основой биполярного транзистора является кристалл полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который также как и вывод от него называется базой. Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противоположным типом проводимости, нежели база. Переходы транзистора организованы 3-я областями с чередующимися типами проводимости. Сейчас используются транзисторы n-p-n типа.

Область(правая на рисунке), имеющая большую площадь p-n перехода, и собирающая электроны называют коллектором. Область (левая на рисунке), имеющая меньшую площадь p-n перехода, и инжектирующая электроны в p область называют эмиттером. p-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом (приложено обратное напряжение), а между эмиттером и базой – эмиттерным переходом, к нему приложено прямое напряжение. Направление стрелки в транзисторе показывает направление протекающего тока. Основной особенностью устройства биполярных транзисторов является неравномерность концентрации основных носителей зарядов в эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носителей заряда максимальная. В коллекторе – несколько меньше, чем в эмиттере. В базе – во много раз меньше, чем в эмиттере и коллекторе

Принцип действия биполярных транзисторов.

При работе транзистора в усилительном режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт. Это достигается соответствующим включением источников

питания.

Так как эмиттерный переход открыт, то через него будет протекать ток эмиттера, вызванный переходом электронов из эмиттера в базу и переходом дырок из базы в эмиттер. Следовательно, ток эмиттера будет иметь две составляющие – электронную и дырочную. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции:

Инжекцией зарядов называется переход носителей зарядов из области, где они были основными в область, где они становятся неосновными. В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе пополняется от «+» источника Еэ, за счёт чего в цепи базы будет протекать очень малый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под ускоряющим действием поля закрытого коллекторного перехода как неосновные носители будут переходить в коллектор, образуя ток коллектора. Переход носителей зарядов из области, где они были не основными, в область, где они становятся основными, называется экстракцией зарядов. Степень рекомбинации носителей зарядов в базе оценивается коэффициентом перехода носителей зарядов δ:

Основное соотношение токов в транзисторе

α – коэффициент передачи тока транзистора или коэффициент усиления по току:

Iк = α ∙ Iэ

Дырки из коллектора как неосновные носители зарядов будут переходить в базу, образуя обратный ток коллектора Iкбо. Iк = α ∙ Iэ + Iкбо. Из трёх выводов транзистора на один подаётся входной сигнал, со второго – снимается выходной сигнал, а третий вывод является общим для входной и выходной цепи. Таким образом, рассмотренная выше схема получила название схемы с общей базой.

Напряжение в транзисторных схемах обозначается двумя индексами в зависимости от того, между какими выводами транзистора эти напряжения измеряются.

Так как все токи и напряжения в транзисторе, помимо постоянной составляющей имеют ещё и переменную составляющую, то её можно представить как приращение постоянной составляющей и при определении любых параметров схемы пользоваться либо переменной составляющей токов и напряжений, либо приращением постоянной составляющей.

где Iк, Iэ – переменные составляющие коллекторного и эмиттерного тока, ΔIк, ΔIэ – постоянные составляющие.

Взаимосвязь токов

 

A- коэффициент передачи тока эмиттера A=0,95...0,99

Выходной ток транзистора:

 

I_КБ0 - обратный ток

Ток в выводе базы: Поскольку I_Э>>I_КБ0, то

Ток базы: или

b - динамический коэффициент передачи тока базы

 

 

Уменьшение коэффициентов a и b с увеличением частоты

Характеристики

 

Параметры, характеризующие транзистор как усилительный элемент:

Коэффициенты усиления:

- по току kI=DI_ВЫХ/DI_ВХ

- по напряжению kU= DU_ВЫХ/DU_ВХ

- по мощности kP=kI/kU= DP_ВЫХ/DP_ВХ

- входное сопротивление R_ВХ=U_ВХ/I_ВХ

- выходное сопротивление R_ВЫХ= U_ВЫХ/ I_ВЫХ

Выходные характеристики I_К=f(U_КБ)
схема с ОБ, n-p-n

Для схемы с ОБ выходная характеристика показывает зависимость тока коллектора то напряжения коллектор-база, при фиксированном значении тока эмиттера

 

Входные характеристики IЭ=f(UЭБ) n-p-n схема с ОБ p-n-p Показывает зависимость тока эмиттера от напряжения база-эмиттер

Выходные характеристики IК=f(UКЭ) n-p-n схема с ОЭ p-n-p

Это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер, при фиксированном токе на базе

Входные характеристики IБ=f(UБЭ) n-p-n схема с ОЭ p-n-p

Показывает зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер, при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер

 

Режимы работы

Нормальный (активный) режим – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном.

Инверсный режим – коллекторный переход смещен в прямом направлении, эмиттерный – в обратном.

Режим отсечки – оба перехода транзистора смещены в обратном направлении.

I_К=I_КБ0 I_Э»0 I_Б»-I_КБ0

Режим насыщения – оба перехода транзистора смещены в прямом направлении.

I_Kmax< aI_Э

 

Системы параметров

h₁₁ – это входное сопротивление транзистора при U_m2 = 0 то есть при коротком замыкании в выходной цепи по переменному току (конденсатором).

h₁₂ – представляет собой коэффициент обратной связи на холостом ходу во входной цепи по переменному току. Коэффициент обратной связи показывает степень влияния выходного напряжения на входное (катушкой индуктивности).
h₂₁ – коэффициент усиления по току транзистора или коэффициент передачи тока при коротком замыкании выходной цепи по переменному току.

h₂₂ – выходная проводимость на холостом ходу во входной цепи.

Система Y-параметров

Входная проводимость

y₁₁=ΔI₁/ΔU₁ при U₂=const

Обратная взаимная проводимость

y₁₂= Δ I₁/ΔU₂ при U₁=const

Прямая взаимная проводимость

y₂₁= Δ I₂/ΔU₁ при U₂=const

Выходная проводимость

y₂₂= Δ I₂/ΔU₂ при U₁=const