Биполярные транзисторы. Типы, схемы включения, режимы работы. Характеристики, параметры.

Транзистор − это п/п прибор, имеющий 2 электронно-дырочных пере­хода, образованных слоями N-P или P-N-типа. Имеет 3 или бо­лее выводов. Изготавливают на базе германия или кремния. Термин «биполярный» обусловлен наличием 2-х типов носителей зарядов: электронов и дырок.

В зависимости от чередования областей различают транзисторы N-P-N и P-N-P-типа.

n

n

Si

Sn + P

Б

Э

К

-

-

-

-

-

-

+

-

-

-

+

+

-

Iэ

Iк

Iб

Еэ

Ек

n-p

p-n

 

-

+

+

Условное обозначение

Iб

n-p-n

Iэ

Iк

Uбэ

Uкэ

Структура биполярного транзистора

 

Центральный слой − называется базой (Б).

Наружный слой, являющийся источником зарядов − эмиттер (Э), принимающий заряды − коллектор (К). Источник питания Э-Б U_вх включают в прямом направлении (переход Э-Б имеет малое сопротив­ление). На переход коллектор-база источник энергии U_вх включают в обратном направлении.

Под действием Е_э электроны из эмиттера преодолевают N-P-переход и попадают в область базы, где частично рекомбинируют с дырками (рекомбинация − восстановление и воссоединение электрона и дырки), образуя ток базы I_б Обычно концентрация дырок в базе низкая и не все электроны рекомбинируют, большинство электронов вследствие диффузии и поля Е_к преодолевают коллекторный P-N-переход, и в цепи Б-К образуется ток коллектора - Iк₀

Когда I_ЭБ = 0, будет небольшой ток через коллекторный переход I_ко. Он обусловлен движением неосновных носителей заряда: электронов из базы в коллектор, дырок из коллектора в базу. Коллектор предназначен для экстракции (изъятия) неосновных но­сителей заряда из базы.

a = ΔI_к/ ΔI_э при U_кб = сonst

где a – коэффициент передачи тока.

a = 0,9 − 0,995(I_б − мал, I_к ≈ I_э, область n − тонкая, дырок мало и − I_б − мало)./

Транзисторы p-n-р-типа, работают аналогично, отличаются про­тивоположными направлениями E_э, E_к, I_б, I_э, I_к.

+

Э

Iб

p-n-p

Iэ

Iк

Uэб

-

Б

К

 

Схема транзистора с ОБ

 

Рассмотренная схема - схема с ОБ. Применяется редко, так как мал a и мало дифференциальное входное сопротивление R_вх:

R_вх = ΔU_вх/ΔI_вх = ΔU_бэ/ΔI_бэ

Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) − это основная схема.

 

n-p-n

Uкэ

Iэ

Iб

Uбэ

Iк

К

-

-

+

+

Б

Э

 

Схема транзистора с ОЭ

 

Эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей,

I_э = I_б + I_к

 

Коэффициент усиления по току с ОЭ

= Δ I_к/ Δ I_б при U_кэ = const

 

Так как

Δ I_б = Δ I_э – Δ I_к,

то если a = 0,995, то K_i = = Δ I_к / (Δ I_э – Δ I_к) делим числитель и знаменатель дроби на ∆I_э и получим, что

.

Достоинства: малый ток I_Б, большой β, коэффициент усиления по мощности достигает нескольких тысяч.

Схема с общим коллектором (ОК) (эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе примерно равно входному по величине и фазе) представлена на рисунке.

 

n-p-n

UКЭ

IБ

UКБ

IК

К

-

-

+

+

Б

Э

IЭ

 

Схема транзисторов с ОК:

Где I_Б – входной ток; I_Э – выходной ток, DІ_Э = DІ_Б – DІ_К

Коэффициент усиления по току

K _I = Δ I_э/ Δ I_б = (Δ I_б + Δ I_к)/ Δ I_б

IБ3

IБ2

IБ1

PК.max

DIК

IБ = 0

IК

IК max

UКЭ

DUКЭ

 

Выходная характеристика транзистора

 

Используется для построения специальных каскадов, имеет большие R_вх и малое R_вых.

Основные характеристики и параметры транзисторов с ОЭ :

I_к(U_кэ) при I_б = const – выходные характеристики;

I_б(U_бэ) при U_кэ = const – входная характеристика ;

I_к(U_бэ) при U_кэ = const – передаточная характеристика.

 

Iб

DUбэ

Uбэ

DIб

Uкэ = 1…20 В

Iк

Uбэ

Uкэ = const

DIк

DUбэ

а б

Входная и передаточная характеристики: а - входная; б - передаточная

 

Параметры:

1) дифференциальное выходное сопротивление (определяется по выходной характеристике)

Δ U_кэ /Δ I_к при I_Б = const;

2) дифференциальное входное сопротивление (определяется по входной характеристике)

R_вх =Δ U_бэ/Δ I_б при U_бэ = const;

 

3) крутизна

S = Δ I_к/Δ U_бэ п=Δ U_бэ при U_кэ = const;

4) статический коэффициент усиления μ = SR_вых ≈ SR_к.

Для расчета и анализа цепей с биполярными транзисторами используются h-параметры. Считают I_б и U_кэ независимыми переменными, a U_бЭ и I_к − зависимыми, т. е,

U_бэ = F₁(I_б,V_кэ),

I_к = F₂(I_б, U_кэ),

Обычно h-параметры определяют по характеристикам:

h₁₁ = Δ U_бэ/ Δ I_б при U_кэ = const (∆U_кэ = 0) – R_вх, Ом;

Безразмерный коэффициент обратной связи по напряжению:

h₁₂ = Δ U_бэ/ Δ U_кэ при I_б = const.

(h₁₂ = 0,002−0,0002 – мало, можно пренебречь).

Коэффициент передачи по току, безразмерный:

h₂₁ = Δ I_к/ Δ I_б при U_кэ = const.

Выходная проводимость

h₂₂ = Δ I_к/ Δ U_кэ при I_б = const.

Схема замещения (h₁₂ = 0).

Существуют следующие ограничения:

P_к = I_к · U_кэ ≤ P_к.max − для предотвращения перегрева коллектора;

U_кэ ≤ U_кэ.mах − во избежание пробоя коллекторного перехода, I_к ≤ ≤ I_к.mах − во избежание перегрева эмиттерного перехода. Для повышения P_к.mах делают транзисторные сборки на I_к до 500 А.

 

Uбэ

J = h21 DIб

DIб

Б

h11

Э

К

DIк

DUкэ

 

Схема замещения транзистора

 

Биполярные транзисторы широко применяются в усилителях, генераторах, логических и импульсных устройствах.