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 - I к₀

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 = Δ I _к/ Δ I _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

I б

p - n - p

I э

I к

U эб

-

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 = Δ U_вх /Δ I_вх = Δ U_бэ /Δ I _бэ

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

 

n - p - n

U кэ

I э

I б

U бэ

I к

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

U КЭ

I Б

U КБ

I К

К

-

-

+

+

Б

Э

I Э

 

Схема транзисторов с ОК:

Где I _Б – входной ток; I _Э – выходной ток, D І _Э = D І _Б – D І _К

Коэффициент усиления по току

K _I = Δ I _э/ Δ I _б = (Δ I _б + Δ I_к)/ Δ I _б

I Б3

I Б2

I Б1

P К.max

D I К

I Б = 0

I К

I К max

U КЭ

D U КЭ

 

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.

 

I б

D U бэ

U бэ

D I б

U кэ = 1…20 В

I к

U бэ

U кэ = const

D I к

D U бэ

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 = F ₁(I _б, V _кэ),

I _к = F ₂(I _б, U _кэ),

Обычно h -параметры определяют по характеристикам:

h ₁₁ = Δ U _бэ/ Δ I _б при U _кэ = const (∆ U _кэ = 0) – R _вх, Ом;

Безразмерный коэффициент обратной связи по напряжению:

h ₁₂ = Δ U _бэ/ Δ U _кэ при I _б = const.

(h ₁₂ = 0,002−0,0002 – мало, можно пренебречь).

Коэффициент передачи по току, безразмерный:

h ₂₁ = Δ I _к/ Δ I _б при U _кэ = const.

Выходная проводимость

h ₂₂ = Δ I _к/ Δ U _кэ при I _б = const.

Схема замещения (h ₁₂ = 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.

 

U бэ

J = h 21 D I б

D I б

Б

h 11

Э

К

D I к

D U кэ

 

Схема замещения транзистора

 

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