Как происходит в транзисторе процесс усиления мощности электрических колебаний

Работа биполярного транзистора. Режим усиления.

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем осваивать биполярный транзистор и сегодня мы рассмотрим его работу в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.

В режиме усиления транзисторы работают в схемах радиовещательных приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ). При работе используются малые токи в базовой цепи транзистора, управляющие большими токами в коллекторной цепи. Этим и отличается режим усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор под действием напряжения Uб на базе.

1. Схема усилителя.

В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.

В коллекторную цепь транзистора VT1 включим высокоомный электромагнитный телефон BF2, между базой и минусом источника питания GB установим резистор Rб, и развязывающий конденсатор Cсв, включенный в базовую цепь транзистора.

Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне BF1 его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум с двумя-тремя транзисторами или так называемый двухкаскадный усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе или однокаскадном усилителе.

Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.

2. Работа схемы усилителя.

При подаче напряжения питания в схему, на базу транзистора через резистор Rб поступает небольшое отрицательное напряжение 0,1 — 0,2В, называемое напряжением смещения. Это напряжение приоткрывает транзистор, и через эмиттерный и коллекторный переходы начинает течь незначительный ток, который как бы переводит усилитель в дежурный режим, из которого он мгновенно выйдет, как только на входе появится входной сигнал.

Без начального напряжения смещения эмиттерный p-n переход будет закрыт и, подобно диоду, «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиленный сигнал будет искаженным.

Если на вход усилителя подключить еще один телефон BF1 и использовать его как микрофон, то телефон будет преобразовывать звуковые колебания в переменное напряжение звуковой частоты, которое через конденсатор Ссв будет поступать на базу транзистора.

Здесь, конденсатор Ссв выполняет функцию связующего элемента между телефоном BF1 и базой транзистора. Он прекрасно пропускает напряжение звуковой частоты, но преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону BF1. А так как телефон имеет свое внутреннее сопротивление (около 1600 Ом), то без этого конденсатора база транзистора через внутреннее сопротивление телефона была бы соединена с эмиттером по постоянному току. И естественно, ни о каком усилении сигнала речи и быть не могло.

Теперь, если начать говорить в телефон BF1, то в цепи эмиттер-база возникнут колебания электрического тока телефона Iтлф, которые и будут управлять большим током в коллекторной цепи транзистора. И уже этот усиленный сигнал, преобразованный телефоном BF2 в звук, мы и будем слышать.

Сам процесс усиления сигнала можно описать следующим образом.
При отсутствии напряжения входного сигнала Uвх, в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (прямые участки графиков а, б, в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора.

Как только в цепи базы появляется входной сигнал (правая часть графика а), то соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора (правая часть графиков б, в).

Во время отрицательных полупериодов, когда отрицательное входное Uвх и напряжение источника питания GB суммируются на базе — токи цепей увеличиваются.

Во время же положительных полупериодов, кода напряжение входного сигнала Uвх и источника питания GB положительны, отрицательное напряжение на базе уменьшается и, соответственно, токи в обеих цепях также уменьшаются. Вот таким образом и происходит усиление по напряжению и току.

Если же нагрузкой транзистора будет не телефон а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления.

Один транзистор может усилить сигнал в 30 – 50 раз.

На рисунке ниже показана зависимость тока коллектора от тока базы.

Например. Между точками А и Б ток базы увеличился от 50 до 100 мкА (микроампер), то есть составил 50 мкА, или 0,05 mA. Ток коллектора между этими точками возрос от 3 до 5,5 mA, то есть вырос на 2,5 mA. Отсюда следует, что усиление по току составляет: 2,5 / 0,05 = 50 раз.

Точно также работают транзисторы структуры n-p-n. Но для них полярность включения источника питания, питающей цепи базы и коллектора меняется на противоположную. То есть на базу и коллектор подается положительное, а на эмиттер отрицательное напряжения.

Запомните: для работы транзистора в режиме усиления на его базу, относительно эмиттера, вместе с напряжением входного сигнала обязательно подается постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор.

Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

Напряжение смещения на базу не подают лишь в том случае, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

3. Классификация транзисторов по мощности и по частоте.

В зависимости от максимальной мощности рассеивания биполярные транзисторы делятся на:

1. малой мощности — Pmax ≤ 0,3 Вт;
2. средней мощности — 0,3 1,5 Вт.

В зависимости от значения граничной частоты коэффициента передачи тока на транзисторы:

1. низкой частоты – fгр ≤ 3 МГц;
2. средней частоты – 3 МГц 300 МГц.

Ну вот и все.
Теперь у Вас не должно возникнуть вопросов о работе биполярного транзистора в режиме усиления.
Удачи!

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор. Это очень просто! 1964г.

Что такое транзистор и как он работает?

Принцип полупроводникового управления электрическим током был известен ещё в начале ХХ века. Несмотря на то, что инженеры, работающие в областях радиоэлектроники, знали как работает транзистор, они продолжали конструировать устройства на основе вакуумных ламп. Причиной такого недоверия к полупроводниковым триодам было несовершенство первых точечных транзисторов. Семейство германиевых транзисторов не отличались стабильностью характеристик и сильно зависели от температурных режимов.

Серьёзную конкуренцию электронным лампам составили монолитные кремниевые транзисторы лишь в конце 50-х годов. С этого времени электронная промышленность начала бурно развиваться, а компактные полупроводниковые триоды активно вытесняли энергоёмкие лампы со схем электронных приборов. С появлением интегральных микросхем, где количество транзисторов может достигать миллиардов штук, полупроводниковая электроника одержала убедительную победу в борьбе за миниатюризацию устройств.

Что такое транзистор?

В современном значении транзистором называют полупроводниковый радиоэлемент, предназначенный для изменения параметров электрического тока и управления им. У обычного полупроводникового триода имеется три вывода: база, на которую подаются сигналы управления, эмиттер и коллектор. Существуют также составные транзисторы большой мощности.

Поражает шкала размеров полупроводниковых устройств – от нескольких нанометров (бескорпусные элементы, используемые в микросхемах), до сантиметров в диаметре мощных транзисторов, предназначенных для энергетических установок и промышленного оборудования. Обратные напряжения промышленных триодов могут достигать до 1000 В.

Устройство

Конструктивно триод состоит из полупроводниковых слоев, заключённых в корпусе. Полупроводниками служат материалы на основе кремния, германия, арсенида галлия и других химических элементов. Сегодня проводятся исследования, готовящие на роль полупроводниковых материалов некоторые виды полимеров, и даже углеродных нанотрубок. Видимо в скором будущем мы узнаем о новых свойствах графеновых полевых транзисторов.

Раньше кристаллы полупроводника располагались в металлических корпусах в виде шляпок с тремя ножками. Такая конструкция была характерна для точечных транзисторов.

Сегодня конструкции большинства плоских, в т. ч. кремниевых полупроводниковых приборов выполнены на основе легированного в определённых частях монокристалла. Они впрессованы в пластмассовые, металлостеклянные или металлокерамические корпуса. У некоторых из них имеются выступающие металлические пластины для отвода тепла, которые крепятся на радиаторы.

Электроды современных транзисторов расположены в один ряд. Такое расположение ножек удобно для автоматической сборки плат. Выводы не маркируются на корпусах. Тип электрода определяется по справочникам или путём измерений.

Для транзисторов используют кристаллы полупроводников с разными структурами, типа p-n-p либо n-p-n. Они отличаются полярностью напряжения на электродах.

Схематически строение транзистора можно представить в виде двух полупроводниковых диодов, разделённых дополнительным слоем. (Смотри рисунок 1). Именно наличие этого слоя позволяет управлять проводимостью полупроводникового триода.

Рис. 1. Строение транзисторов

На рисунке 1 схематически изображено строение биполярных триодов. Существуют ещё класс полевых транзисторов, о которых речь пойдёт ниже.

Базовый принцип работы

В состоянии покоя между коллектором и эмиттером биполярного триода ток не протекает. Электрическому току препятствует сопротивление эмиттерного перехода, которое возникает в результате взаимодействия слоёв. Для включения транзистора требуется подать незначительное напряжение на его базу.

На рисунке 2 показана схема, объясняющая принцип работы триода.

Рис. 2. Принцип работы

Управляя токами базы можно включать и выключать устройство. Если на базу подать аналоговый сигнал, то он изменит амплитуду выходных токов. При этом выходной сигнал точно повторит частоту колебаний на базовом электроде. Другими словами, произойдёт усиление поступившего на вход электрического сигнала.

Таким образом, полупроводниковые триоды могут работать в режиме электронных ключей или в режиме усиления входных сигналов.

Работу устройства в режиме электронного ключа можно понять из рисунка 3.

Рис. 3. Триод в режиме ключа

Обозначение на схемах

Общепринятое обозначение: «VT» или «Q», после которых указывается позиционный индекс. Например, VT 3. На более ранних схемах можно встретить вышедшие из употребления обозначения: «Т», «ПП» или «ПТ». Транзистор изображается в виде символических линий обозначающих соответствующие электроды, обведённые кружком или без такового. Направление тока в эмиттере указывает стрелка.

На рисунке 4 показана схема УНЧ, на которой транзисторы обозначены новым способом, а на рисунке 5 – схематические изображения разных типов полевых транзисторов.

Рис. 4. Пример схемы УНЧ на триодах

Виды транзисторов

По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:

• полевые;
• биполярные;
• комбинированные.

Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.

Полевые

Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
2. С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

Рис. 5. Полевые транзисторы Рис. 6. Фото реального полевого триода

Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

Биполярные

Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

Комбинированные

С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

с внедрёнными и их схему резисторами;
• комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
• лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
• конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).

Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

Как работает биполярный транзистор? Инструкция для чайников

Работа биполярных транзисторов основана на свойствах полупроводников и их сочетаний. Чтобы понять принцип действия триодов, разберёмся с поведением полупроводников в электрических цепях.

Полупроводники.

Некоторые кристаллы, такие как кремний, германий и др., являются диэлектриками. Но у них есть одна особенность – если добавить определённые примеси, то они становятся проводниками с особыми свойствами.

Одни добавки (доноры) приводят к появлению свободных электронов, а другие (акцепторы) – образуют «дырки».

Если, например, кремний легировать фосфором (донор), то получим полупроводник с избытком электронов (структура n-Si). При добавлении бора (акцептор) легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью (p-Si), то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы.

Односторонняя проводимость.

Проведём мысленный эксперимент: соединим два разнотипных полупроводника с источником питания и подведём ток к нашей конструкции. Произойдёт нечто неожиданное. Если соединить отрицательный провод с кристаллом n-типа, то цепь замкнётся. Однако, когда мы поменяем полярность, то электричества в цепи не будет. Почему так происходит?

В результате соединения кристаллов с разными типами проводимости, между ними образуется область с p-n переходом. Часть электронов (носителей зарядов) из кристалла n-типа перетечёт в кристалл с дырочной проводимостью и рекомбинирует дырки в зоне контакта.

В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа – из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В.

Связь между напряжением и концентрацией примесей можно выразить формулой:

V_T – величина термодинамического напряжения, N_n и N_p – концентрация соответственно электронов и дырок, а n_i обозначает собственную концентрацию.

При подсоединении плюса к p-проводнику, а минуса к полупроводнику n-типа, электрические заряды преодолеют барьер, так как их движение будет направлено против электрического поля внутри p-n перехода. В данном случае переход открыт. Но если полюса поменять местами, то переход будет закрыт. Отсюда вывод: p-n переход образует одностороннюю проводимость. Это свойство используется в конструкции диодов.

От диода к транзистору.

Усложним эксперимент. Добавим ещё одну прослойку между двумя полупроводниками с одноименными структурами. Например, между кремниевыми пластинами p-типа вставим прослойку проводимости (n-Si). Не трудно догадаться, что произойдёт в зонах соприкосновения. По аналогии с вышеописанным процессом образуются области с p-n переходами, которые заблокируют движение электрических зарядов между эмиттером и коллектором, причём независимо от полярности тока.

Самое интересное произойдёт тогда, когда мы приложим незначительное напряжение к прослойке (базе). В нашем случае, подадим ток с отрицательным знаком. Как и в случае с диодом, образуется цепь эмиттер-база, по которой потечёт ток. Одновременно прослойка начнёт насыщаться дырками, что приведёт к дырочной проводимости между эмиттером и коллектором.

Посмотрите на рисунок 7. На нём видно, что положительные ионы заполнили всё пространство нашей условной конструкции и теперь ничто не мешает проводимости тока. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Рис. 7. Принцип работы триода

При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается.

Устройство может работать и в усилительном режиме.

Ток коллектора связан прямой пропорциональностью с током базы: I_к = ß*I_Б, где ß – коэффициент усиления по току, I_Б – ток базы.

Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Этот принцип используют для усиления сигналов.

Подавая на базу слабые импульсы, на выходе мы получаем такую же частоту усиления, но со значительно большей амплитудой (задаётся величиной напряжения, приложенного к цепочке коллектор эмиттер).

Аналогичным образом работают npn транзисторы. Меняется только полярность напряжений. Устройства со структурой n-p-n обладают прямой проводимостью. Обратную проводимость имеют транзисторы p-n-p типа.

Остаётся добавить, что полупроводниковый кристалл подобным образом реагирует на ультрафиолетовый спектр света. Включая и отключая поток фотонов, или регулируя его интенсивность, можно управлять работой триода или менять сопротивление полупроводникового резистора.

Схемы включения биполярного транзистора

Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором (Рис. 8).

Рис. 8. Схемы подключения биполярных транзисторов

Для усилителей с общей базой характерно:

• низкое входное сопротивление, которое не превышает 100 Ом;
• хорошие температурные свойства и частотные показатели триода;
• высокое допустимое напряжение;
• требуется два разных источника для питания.

Схемы с общим эмиттером обладают:

• высокими коэффициентами усиления по току и напряжению;
• низкие показатели усиления по мощности;
• инверсией выходного напряжения относительно входного.

При таком подключении достаточно одного источника питания.

Схема подключения по принципу «общий коллектор» обеспечивает:

• большое входное и незначительное выходное сопротивление;
• низкий коэффициент напряжения по усилению (< 1).

Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников

Строение полевого транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нём не пересекает зоны p-n перехода. Заряды движутся по регулируемому участку, называемому затвором. Пропускная способность затвора регулируется напряжением.

Пространство p-n зоны уменьшается или увеличивается под действием электрического поля (см. Рис. 9). Соответственно меняется количество свободных носителей зарядов – от полного разрушения до предельного насыщения. В результате такого воздействия на затвор, регулируется ток на электродах стока (контактах, выводящих обработанный ток). Входящий ток поступает через контакты истока.

Рисунок 9. Полевой транзистор с p-n переходом

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Их схемы вы видели на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике применяют схемы подключений по аналогии с биполярным триодом:

• с общим истоком – выдаёт большое усиление тока и мощности;
• схемы с общим затвором обеспечивающие низкое входное сопротивление, и незначительное усиление (имеет ограниченное применение);
• с общим стоком, работающие так же, как и схемы с общим эмиттером.

На рисунке 10 показаны различные схемы включения.

Рис. 10. Изображение схем подключения полевых триодов

Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях.

Усиление электрических сигналов с помощью биполярного транзистора.

Транзистор в активном режиме обладает способностью усиливать мощность электрического сигнала, включенного в входную цепь. При этом в зависимости от схемы включения транзистора (ОБ, ОЭ, ОК) будет наблюдаться усиление сигнала либо по току, либо по напряжению, либо по тому и другому. Например, в схеме с ОБ имеется усиление по напряжению и по мощности, усиление по току не происходит . Для того, чтобы выделить мощность входного сигнала, в выходную цепь транзистора включают нагрузочный резистор Rк, обладающий большим сопротивлением, значительно превышающим входное сопротивление транзистора Rэ (сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении (см. рис. 12-16).

Включение резистора Rк, хотя и вызывает снижение потенциального барьера коллекторного перехода из–за уменьшения напряжения на коллекторе (Uкб=Eкб–Rк . Iк), но это не вызовет инжекцию дырок коллектора в базу и коллекторный ток Iк не уменьшится. Величина тока Iк, как установлено выше, практически равна величине тока эмиттера Iэ.

Поскольку входное сопротивление транзистора Rэ мало, небольшое изменение тока эмитгера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи. В коллекторной цепи на сопротивлении нагрузки Rк это небольшое изменение тока вызовет значительное изменение напряжения Uк=RкIк, т.к. Rк велико.

Действительно, если напряжение между эмиттером и базой изменится на величину DUэб, ток эмиттера изменится на величину DIэ=DUэб/Rэ. Ток коллектора изменится на ту же величину DIк=aDIэ»DIэ, (a»1).Напряжение на нагрузке Rк в коллекторной цепи изменится на DUк=RкDIк или DUк=(Rк/Rэ)DUэб, т.е. приращение напряжения на коллекторной нагрузке в Rк/Rэ раз больше приращения напряжения в эмиттерной цепи. Так как Rк>>Rэ, следовательно, DUк>>DUэб. При этом происходит и усиление по мощности. Приращение входной мощности равно DРвх=РэDIэ 2 приращение выходной мощности DРвых=RкDIк 2 »RкDIэ 2 или DРвых=(Rк/Rэ)DРвх.Т.к. Rк>>Rэ, то DPвых>>DPвх.

При работе транзистора в схеме усилителя на вход его подается переменное напряжение сигнала, которое нужно усилить. В этом случае Еэ не изменяется, но последовательно с ним включенное переменное напряжение сигнала малой величины изменяется, и это будет приводить к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на сопротивлении нагрузки Rк, т.е. в схеме будет происходить усиление малого входного сигнала.

В схеме с ОЭ происходит усиление по току и напряжению. Здесь входным током является ток базы, он значительно меньше тока эмиттера. Если изменить входное напряжение Uбэ, изменится потенциально барьер эмиттера и, следовательно, дырочный ток эмиттера и ток коллектора. Так как в базу от источника поступает небольшой ток, меньший по величине, чем ток эмиттера и, следовательно, и коллектора, то незначительное изменение тока во входной цепи вызовет значительно большее изменение тока в выходной цепи коллектора.

Рис.12-16 Структурная схема транзистора с ОБ с нагрузочным резистором в выходной цепи.

Таким образом, в схеме с ОЭ происходит усиление по току. При этом имеется усиление и по напряжению. Так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить большое сопротивление. На этом сопротивлении напряжение будет значительно выше, чем напряжение во входной цепи. Усиление по напряжению и току приводит к значительное усилению по мощности.

В схеме усиления с ОК (p-n-p) Ku=1, а коэффициент усиления по току Ki=10-100. Так как в этой схеме Uвх=Uвых, то такую схему называют эмиттерный повторитель.

Параметры транзистора:

1) Статический коэффициент усиления по току в схеме с ОБ

a=Iкр/Iэ(12.17)

Обычно a=0,9–0,99.

Статический коэффициент усиления по току в схеме о ОЭ имеет другое выражение. Его можно получить из соотношения Iк=aIэ+Iко, если подставить в него выражение Iэ=Iб+Iк. Тогда Iк=a(Iб+Iк)+Iко, откуда:

Iк=bIб+Iкоэ,(12.19)

где b=a/(1–a) статический коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ, выраженный через a.

Из уравнения (12.9) можно установить, что схема с ОЭ обладает большим усилением по току. Например, еслиa=0,985, то b=66.

Обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ.

Iкоэ=Iко/(1–a)=(1+b)Iко(12.21)

Коэффициенты a и b являются важнейшими параметрами транзисторов. Их часто называют коэффициентами передачи тока эмиттера (a) и тока базы (b).

2) Коэффициент обратной связи по напряжению. В схеме с ОБ он равен

=DUэб/DUкб,(12.22)

=DUбэ/DUкэ,(12.23)

где DUэб, DUбэ, DUкб, DUкэ – соответственно приращения напряжений эмиттера, базы и коллектора.

3) Входное сопротивление. В схеме с ОБ равно:

Rвхб=DUэв/DIэ, (12.23)

Rвхэ=DUбэ/DIб,(12.24)

где DIэ и DIб – соответственно приращения тока эмиттера и тока базы.

4) Выходное сопротивление. В схеме с ОБ равно

Rвыхб=DUкб/DIк,(12.25)

Rвыхэ=DUкэ/DIк(12.26)

На рис. 12-17 показаны входные и выходные статические характеристики транзистора, включённого по схемам ОБ и ОЭ

Рис. 12-17. Входные (а,б) и выходные (в,г) статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ (а,в) и по схеме с ОЭ (б,г)

Схемы замещения транзисторов типа p-n-p

Схемы замещения транзисторов строят на той основе, что эммиттерный переход имеет сопротивление до десятков Ом, коллекторный переход имеет сопротивление до сотни килоОм, область базы имеет сопротивление до сотен Ом.

Рис. 12-18. Схема замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОБ.

В схеме ОБ (рис.12-18) входное напряжение равно сумме падений напряжений на сопротивлениях Rэ и Rб при прохождении по ним токов, соответственно эмиттерного и тока базы. Как показывают расчёты, по приведённой схеме, Rвхб совпадает с расчётами Rвхб= Uэб/ Iэ десяткам Ом.

Аналогичные расчёты можно проводить по схемам замещения транзисторов, включённых по схемам с ОК и с ОЭ (рис. 12-19, а, б)

Рис 12-19. а) Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОК.

Рис 12-19. б)Схемы замещения транзистора p-n-p, включенного по схеме с ОЭ.

Н-параметры транзистора. При расчётах часто транзистор рассматривают как усиливающее мощность устройство, имеющее на входе напряжение U₁ и ток I₁, а на выходе соответственно U₂ и I₂. Такую модель называют активным четырёхполюсником. (рис. 12-20)

Рис. 12-20. Транзистор, как активный четырёхполюсник, включённый по схеме с ОЭ.

Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Свое имя «TRANSferresISTOR» (дословно – «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков — как дырок, так и электронов.

Рис. 1. Упрощенный вид внутреннего устройства биполярного транзистора p-n-p структуры.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р + область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

Расстояние между металлургическими границами переходов называется физической толщиной базы «L» .

Расстояние между обедненными зонами называется эффективной толщиной базы «W».

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования – концентрация акцепторной примеси N_A в эмиттере кремниевого транзистора достигает

10 17 – 10 18 ат/см 3 (этот факт обозначен символом р + ). Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси N_D в ней составляет

10 13 – 10 14 ат/cм 3 . В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

односторонняя диффузия (несимметичный эмиттерный переход)

Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу. Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла.

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

низкочастотные­ не более 3 МГц;

средней частоты — от 3 МГц до 30МГц;

высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;

сверхвысокочастотные — более 300 МГц

По мощ­ности выделяют следующем образом:

маломощные — не более 0,3 Вт;

средней мощности — от 0,3 Вт до1,5 Вт;

большой мощности — более 1,5 Вт.

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные тран­зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносе­кундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением U_эб, а коллекторный закрыт обратным смещением U_кб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками. Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.

Рис. 2. Иллюстрация принципа действия биполярного транзистора p-n-p структуры.

Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе – дырок слева 10 17 см -3 , а справа 10 6 см -3 . Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника U_эб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

где α – доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера. Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α <1. При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника U_эб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:

В цепи коллектора кроме управляемого тока протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток I_кб0, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения U_кб, а зависит только от температуры. Обратный ток коллектора I_кб0 измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс «0» (ноль).

Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен

В нормальных условиях работы поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен

а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен

Согласно первому закону Кирхгофа,

Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы

Коэффициент связан с коэффициентом соотношением

3. Режимы работы и способы включения

Рис. 3.1. Условное обозначение на схеме биполярного транзистора p-n-p структуры и n-p-n структуры .

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.

Режим насыщения— оба перехода открыты.

Режим отсечки— оба перехода закрыты.

Инверсный режим— эмиттерный переход закрыт, коллекторный — открыт.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК). На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

Рис. 3.2. Схемы включения транзистора слева направо: схема с ОБ, ОЭ и ОК.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора. Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение U_эб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение U_кб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Напряжение U_бэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение U_кэ той же полярности распределяется между обоими переходами: U_кэ = U_кб + U_бэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие U_кб = U_кэ — U_бэ> 0, что обеспечивается неравенством U_кэ> U_бэ> 0.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами — входными и выходными напряжениями и токами: U_вх = U₁, U_вых = U₂, I_вх = I₁, I_вых = I₂. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к, соответственно, входным напряжением является напряжение U_эб, а выходным – напряжение U_кб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость I_э от U_кб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода U_кб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту I_э. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение U_эб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым () и при прямых напряжениях .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Рис. 4.1. Семейства входных (а) и выходных (б) характеристик биполярного транзистора в схеме с ОБ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения U_кб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении U_кб имеет место небольшой рост I_к, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При I_э = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (I_к = I_кб0).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение U_кб, большее порогового значения U_{кб пор}, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току I_к. Этот ток называют инверсным. Инверсный ток резко увеличивается с ростом , в результате чего I_к очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора I_к. Соответственно, входным напряжением является напряжение U_бэ, а выходным – U_кэ.

Рис. 4.2. Семейства входных (а) и выходных характеристик (б) биполярного транзистора в схеме с ОЭ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы I_б от напряжения на коллекторе U_кэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом U_кэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений U_бэ. Следует отметить, что I_б = 0 при некотором значении U_пор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)I_э становится равным тепловому току I_кэ0. При U_бэ <U_пор, I_б = — I_кэ0, что соответствует режиму отсечки.

При U_кэ <U_бэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.

Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6б. Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда

Ток I_кэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),

Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение U_кэ распределено между обоими переходами. При U_кэ <U_бэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при U_кэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. I_к становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы. Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост I_к при увеличении U_кэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока I_к с ростом напряжения U_кэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем I_кб0, сквозного теплового тока I_кэ0 (4.11).