Принцип роботи біполярного транзистора

Принцип роботи біполярного транзистора

Розглянемо ситуацію, при якій на переходи транзистора від зовнішніх джерел живлення подаються постійні напруги U_ЕБ і U_КБ (рис.2.). Напруги U_ЕБ <0 і U_КБ > 0 забезпечують відкритий стан емітерного переходу і закритий стан колекторного переходу, що відповідає активному режиму роботи транзистора. Через відкритий емітерний перехід протікають основні носії заряду - потік електронів, які інжектуються з емітера в базу. Цей потік залежить від напруги на емітерному переході U_ЕБ, експоненціально зростаючи із збільшенням ÷ U_ЕБ÷. Інжектовані в базу електрони виявляються в ній надлишковими (нерівноважних) неосновними носіями заряду. Внаслідок дифузії вони рухаються через базу до колекторноого переходу де екстрагуються полем закритого колекторного переходу в колектор, частково рекомбінуючи в базі з основними носіями - дірками. У зв'язку з тим, що в колекторному переході відсутній потенційний бар'єр для електронів, що рухаються з бази в колектор, цей потік в першому наближенні не залежить від напруги на колекторному переході U_КБ. Таким чином, всю структуру транзистора від емітера до колектора пронизує наскрізний потік електронів, що створює в зовнішніх колах емітера і колектора струми і_Е і і_К, спрямовані назустріч руху електронів. Цей потік електронів і, відповідно, струм колектора і_К, що є вихідним струмом транзистора, дуже ефективно управляються вхідною напругою U_ЕБ (емітерним або базовим струмом) і не залежать від вихідної напруги U_КБ. Ефективне управління вихідним струмом за допомогою вхідної напруги становить основу принципу роботи біполярного транзистора і дозволяє використовувати транзистор для посилення електричних сигналів.

Коефіцієнти передачі струмів

Корисний ефект в транзисторі створюється за рахунок передачі емітерного струму з емітера в колектор. Кількісно ефективність цього процесу оцінюють за допомогою статичного коефіцієнта передачі струму емітера:

α= і_К /і_Б.

Властивість підсилювати базовий струм оцінюється статичним коефіцієнтом передачі базового струму транзистора:

β = і_К /і_Б.

Коефіцієнти α та β зв’язані співвідношеннями: α= β /(1+ β); β= α /(1- α).

 

Хоча α, β вважаються постійними, проте досвід показує, що вони змінюються, і при зміні струму емітера і_Е, і при зміні напруги на колекторному переході U_КП. Типовий вигляд залежностей для β показаний на рис. 4 а, б. (Коефіцієнт α змінюється аналогічно, але його змінами можна знехтувати, так як α≈1. Приклад: якщо α=0,99, то β = α/(1- α)=99, а при α=0,98 β=49. Таким чином, зміні α на 1% відповідає зміна β приблизно в 2 рази).

Робота БТ в різних режимах

Залежно від того, в яких станах знаходяться переходи транзистора, розрізняють режими його роботи. Оскільки в транзисторі є два переходи (емітерний і колекторний), і кожен з них може знаходитися в двох станах (відкритому і закритому), розрізняють чотири режими роботи транзистора. Основним режимом є активний режим, при якому емітерний перехід знаходиться у відкритому стані, а колекторний - в закритому. Транзистори, що працюють в активному режимі, використовуються в підсилювальних схемах. Крім активного, виділяють інверсний режим, при якому емітерний перехід закритий, а колекторний - відкритий, режим насичення, при якому обидва переходу відкриті, і режим відсічки, при якому обидва переходи закриті.

 

Активний режим. В активному режимі переходи транзистора мають різну ширину: замкнений колекторний перехід значно ширший відкритого емітерний переходу. Через емітерний перехід протікає струм основних носіїв заряду, через колекторний - неосновних. І_Е=І_К+І_Б, при I_Б<< i_Е, маємо I_Э » I_К.

Інверсний режим (інверсний активний режим). Режим роботи аналогічний активному режиму з тією різницею, що відповідною зміною полярності прикладених до переходів напруг у відкритому стані знаходиться колекторний перехід, виконуючи функції емітера, а емітер ний перехід знаходиться у закритому стані, виконуючи роль колектора електронів. У зв’язку з тим, що підсилювальні властивості транзистора в інверсному режимі виявляються значно гіршими, ніж у активному режимі, транзистори в інверсному режимі практично не використовуються.

Прослушать

Poryad z tranzystoramy npn-struktury, isnuyutʹ tranzystory iz symetrychnoyu ïy̆ pnp-strukturoyu, v yakykh vykorystovuyetʹsya potik dirok. Umovni poznachennya npn-i pnp-tranzystoriv, shcho vykorystovuyutʹsya v elektrychnykh skhemakh, navedeni na ris.3.2. Strilka na vyvedennya emitera pokazuye napryam emiternyy̆ strumu v aktyvnomu rezhymi. Hurtok, shcho poznachaye korpus dyskretnoho tranzystora, v zobrazhenni bezkorpusnykh tranzystoriv, shcho vkhodyatʹ do skladu intehralʹnykh mikroskhem, ne vykorystovuyetʹsya. Pryntsyp roboty npn-i pnp-tranzystoriv odnakovyy̆, a polyarnosti napruh mizh ïkh elektrodamy ta napryamky strumiv u lantsyuhakh elektrodiv protylezhni. U suchasniy̆ elektronitsi nay̆bilʹshoho poshyrennya nabuly tranzystory npn-struktury, yaki, zavdyaky bilʹsh vysokym znachennyam rukhlyvosti i koefitsiyenta dyfuziï nmelektroniv v porivnyanni z dirkamy (> p; Dnm> Dp), volodiyutʹ velykym posylennyam i menshoyu inertsiy̆nistyu, nizh tranzystory pnp-struktury. Tomu nyzhche roz·hlyadayutʹsya same npn-tranzystory.

Словарь - Открыть словарную статью

В режимі насичення обидва переходи транзистора знаходяться у відкритому стані, в цьому режимі і емітером, і колектор інжектуються електрони в базу, в результаті чого в структурі протікають два зустрічних наскрізних потоки електронів (нормальний і інверсний). Від співвідношення цих потоків залежить напрям струмів, що протікають в колах емітера і колектора. Внаслідок подвійної інжекції база транзистора дуже сильно насичується надлишковими електронами, через що посилюється їх рекомбінація з дірками, і рекомбінаційний струм бази виявляється значно вище, ніж в активному або інверсної режимах. Слід також зазначити, що у зв'язку з насиченням бази транзистора і його переходів надлишковими носіями заряду, їх опір стає дуже малим. Тому транзистор, що знаходиться в режимі насичення, можна вважати короткозамкненим між відводами колектора та емітера.

Прослушать

obydva perekhodu tranzystora znakhodyatʹsya u vidkrytomu stani. Na rys. 3.7 navedena struktura tranzystora i pokazani potoky nosiïv, shcho protikayutʹ v rezhymi nasychennya. Yak vydno z malyunka, v tsʹomu rezhymi i emiterom, i kolektor inzhektuyutʹsya elektrony v bazu, v rezulʹtati choho v strukturi protikayutʹ dva zustrichnykh naskriznykh potoku elektroniv (normalʹnyy̆ i inversnyy̆). Vid spivvidnoshennya tsykh potokiv zalezhytʹ napryam strumiv, shcho protikayutʹ v lantsyuhakh emitera i kolektora. Vnaslidok podviy̆noï inzhektsiï baza tranzystora duzhe sylʹno nasychuyetʹsya nadlyshkovymy elektronamy, z-za choho posylyuyetʹsya ïkh rekombinatsiya z dirkamy, i rekombinatsiy̆nykh strum bazy vyyavlyayetʹsya znachno vyshche, nizh v aktyvnomu abo inversnoï rezhymakh.
Slid takozh zaznachyty, shcho u zv'yazku z nasychennyam bazy tranzystora i y̆oho perekhodiv nadlyshkovymy nosiyamy zaryadu, ïkh oporu stayutʹ duzhe malenʹkymy. Tomu lantsyuhy, shcho mistyatʹ tranzystor, shcho znakhodytʹsya v rezhymi nasychennya, mozhna vvazhaty korotkozamknenymy.

Словарь - Открыть словарную статью

В режимі відсічки обидва переходи транзистора знаходяться в закритому стані, наскрізні потоки електронів в режимі відсічки відсутні. Через переходи транзистора протікають потоки неосновних носіїв заряду, що створюють малі й некеровані теплові струми переходів. База і переходи транзистора в режимі відсічки збіднені рухомими носіями заряду, в результаті чого їх опір виявляються дуже високими. Тому часто вважають, що транзистор, що працює в режимі відсічки, являє собою розрив ланцюга між коллектором та емітером. Режими насичення і відсічки використовуються при роботі транзисторів в імпульсних (ключових) схемах.

Прослушать

Статичні характеристики БТ.

Транзистор в електричних схемах використовується як чотириполюсник, який характеризується чотирма величинами: вхідною та вихідною напругами і вхідним та вихідним струмами (U_ВХ, U_ВИХ, I_ВХ, I_ВИХ). Функціональні залежності між цими величинами називаються статичними характеристиками транзистора. Дві з них визначаються як незалежні змінні, а дві виражаються у вигляді функцій цих незалежних змінних. У біполярному транзисторі в якості незалежних змінних вибирають вхідний струм і вихідна напруга. Тоді вхідна напруга і вихідний струм виражаються таким чином:

Прослушать

На практиці зручніше користуватися функцією однієї змінної. Для переходу до таких функцій необхідно другу змінну (яка в цьому випадку називається параметром характеристики), підтримувати постійною. У результаті виходять чотири типи характеристик транзистора:

Прослушать

• вхідна характеристика:

 

 

• характеристика зворотної передачі (зв’язку) за напругою:

 

 

· характеристика (прямої)передачі струму:

 

 

• выходная характеристика:

 

Статичні характеристики транзистора можуть задаватися відповідними аналітичним виразами, а можуть бути представлені графічно. Кілька характеристик одного типу, отримані при різних значеннях параметра, утворюють сімейство характеристик. Сімейства вхідних та вихідних характеристик транзистора вважаються основними і приводяться в довідниках, з їхньою допомогою легко можуть бути отримані два інших сімейства характеристик. Конкретний вид статичних характеристик залежить від схеми ввімкнення транзистора.

Режим насичення транзистора

Положення робочої точки повинно бути забезпечено в правому верхньому стані, при цьому в колі колектора протікає так званий струм колектора насичення. Це максимально можливий струм, який може протікати в комутуючому ланцюзі: I_Кнас = (E_Ж - U_зал)/ R_К, оскільки E_Ж ›› U_зал, то I_Кнас ≈ E_Ж/ R_К.

При цьому в загальному випадку і напруга E_Ж і комутований опір R_K можуть бути непостійними. Таким чином струм в комутуючому ланцюзі I_Kннас не залежить від параметрів транзистора, а залежить тільки від параметрів зовнішнього ланцюга E_Ж та R_K.

Для забезпечення режиму насичення необхідно в ланцюг бази транзистора подати відповідний струму бази: І_Б = І_Кнас/β_min = І_Бнас =(U_ВХ – U_БЕ)/ R_Б.

Для надійного відкривання транзисторного ключа, щоб гарантувати режим насичення при розкиді параметрів транзисторів реальний струм бази вибирається в дещо більшим струму бази насичення І_Б = s× І_Бнас, де s=1,2 - коефіцієнт насичення транзистора. У розрахункових співвідношеннях використовують звичай мінімальне значення b_min (при коливаннях температури, b може змінюватися).

Спрощена схема заміщення транзистора в режимі насичення наведена на рис.3.

Режим відсічки

Крайнє нижнє положення відповідає режиму відсічки. Щоб забезпечити це положення робочої точки необхідно подати відповідну вхідну напругу і створити необхідний струм бази щоб змістити колекторний і емітерний переходи у зворотному напрямку. При цьому потрібно забезпечити протікання струму бази у зворотному напрямку.

Струм емітера в режимі відсічки дорівнює нулю. Ланцюг між колектором і емітером розімкнутий. Якщо при цьому тепловим струмом колектора можна знехтувати, то всі три контакти представляються розімкнутими один щодо одного рис.4. Отже, ніяких струмів окрім I_К0 не протікає.

Закритий стан транзистора забезпечується нульовою або від'ємною вхідною напругою. При цьому струм від джерела майже не споживається. Для надійного закривання транзисторного ключа в момент паузи між відкриваючими імпульсами застосовують спеціальний зсув, що подається на базу транзистора, яка діє на перехід "база-емітер" в зворотному напрямку. У практичних схемах не завжди застосовується додаткове зміщення. Так якщо в якості ключа застосовується кремнієвий транзистор, і падіння напруги в паузах близьке до нуля, то додатковий зсув базового переходу у зворотному напрямку не застосовується. Для германієвих транзисторів навіть при нульовій напрузі в паузах між імпульсами необхідно застосовувати зсув базового переходу у зворотному напрямку рис.5.

Рис. 4. Спрощена схема заміщення транзистора в режимі відсічки

Рис. 5. Схема за живлення транзисторного ключа з додатковим зсувом базового переходу у зворотному напрямку

 

Величина R_Б розраховується такою щоб транзистор переходив в режим насичення при подачі на вхід напруги U₀, з врахування коефіцієнту насичення s. При цьому коло зсуву базового переходу у зворотному напрямку несуттєво впливає на вхідний струм бази оскільки зазвичай вибирають R_ЗМ ›› R_Б.

Як джерело напруги зсуву - U_ЗМ, протилежної полярності по відношенню до +Е, може використовуватися будь-яка напруга, що є в схемі.

У режимах насичення і відсічки на транзисторі розсіюється потужність. У режимі насичення струм великий, а напруга маленька. Отже, потужність мала. У режимі відсічки напруга велика, а струм прагне до нуля, отже, потужність також мала. Якщо транзистор раптом перейде в активний режим, то розсіювана транзистором потужність різко зросте (можливий тепловий пробій).

Принцип роботи біполярного транзистора

Розглянемо ситуацію, при якій на переходи транзистора від зовнішніх джерел живлення подаються постійні напруги U_ЕБ і U_КБ (рис.2.). Напруги U_ЕБ <0 і U_КБ > 0 забезпечують відкритий стан емітерного переходу і закритий стан колекторного переходу, що відповідає активному режиму роботи транзистора. Через відкритий емітерний перехід протікають основні носії заряду - потік електронів, які інжектуються з емітера в базу. Цей потік залежить від напруги на емітерному переході U_ЕБ, експоненціально зростаючи із збільшенням ÷ U_ЕБ÷. Інжектовані в базу електрони виявляються в ній надлишковими (нерівноважних) неосновними носіями заряду. Внаслідок дифузії вони рухаються через базу до колекторноого переходу де екстрагуються полем закритого колекторного переходу в колектор, частково рекомбінуючи в базі з основними носіями - дірками. У зв'язку з тим, що в колекторному переході відсутній потенційний бар'єр для електронів, що рухаються з бази в колектор, цей потік в першому наближенні не залежить від напруги на колекторному переході U_КБ. Таким чином, всю структуру транзистора від емітера до колектора пронизує наскрізний потік електронів, що створює в зовнішніх колах емітера і колектора струми і_Е і і_К, спрямовані назустріч руху електронів. Цей потік електронів і, відповідно, струм колектора і_К, що є вихідним струмом транзистора, дуже ефективно управляються вхідною напругою U_ЕБ (емітерним або базовим струмом) і не залежать від вихідної напруги U_КБ. Ефективне управління вихідним струмом за допомогою вхідної напруги становить основу принципу роботи біполярного транзистора і дозволяє використовувати транзистор для посилення електричних сигналів.