Устройство биполярного транзистора.
Транзистором называется преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, пригодный для усиления мощности.
Наиболее распространенными являются транзисторы имеющие носители заряда обеих полярностей. Такие транзисторы называются биполярными.
Особую группу занимают полевые транзисторы, (канальные, униполярные). Особую специфическую группу , в современной электронной аппаратуре, образуют фототранзисторы .
К группе транзисторов следует отнести тиристоры и динисторы.
Основным элементом биполярного транзистора является кристалл германия и кремния, в котором созданы три области различных проводимостей.
Рис. 1.
Различают транзисторы 2-х типов p-n-p и n-p-n . Физические процессы протекающие в транзисторах обоих типов одинаковы. Средняя область называется базой, крайния эмиттером и коллектором.
Условное обозначение транзисторов
Рис. 2.
Принцип работы транзистора.
Рис. 3.
Из рисунка видно, что транзистор представляет по существу два полупроводниковых диода. При замыкании ключа SA1 и разомкнутом SA2 к эмиттерному переходу подключается источник E1 в прямом (пропускном) направлении, а при замыкании ключа SA2 к коллекторному переходу подключается источник E2 в обратном направлении обычно E2>>E1.
При подключении источников E1 и E2 изменяются потенциальные барьерыp-n переходов. Потенциальный барьер эмиттера понижается, а коллекторного повышается. Ток проходящий через эмиттер получил название .
Поскольку концентрация носителей заряда в базе меньше чем в эмиттере, то неосновные носители зарядов в базе полностью дойдут до коллектора.
Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции
Подойдя к коллектору, дырки начинают испытывать действие электрического поля коллекторного перехода.
В результате экстракции дырки быстро втягиваются в коллектор, создавая ток коллектора.
Принимая во внимание малую степень рекомбинации дырок с электронами базы, можно считать, что .
Те дырки которые все же рекомбинируют с электронами образуют ток базы, поэтому .
На усилительные свойства тр-ра влияет рекомбинация носителей в базе, которая определяется через коэффициент переноса носителей в базе
;
Одним из основных параметров тр-ра является коэффициент передачи токаэмиттера
;
;
Следует уточнить, что полный ток коллектора равен т.к.
, .
Схемы включения транзисторов.
Различают три возможные схемы включения транзисторов: ОБ; ОЭ; ОК;
Это зависит от того, какой из электродов является общим для входа и выхода
Рис. 4.
Рис. 5.
Рис. 6.
Независимо от схемы включения транзисторы характеризуются дифференциальным коэффициентом прямой передачи тока.
Для ОБ при
Низкое входное сопротивление схемы с ОБ (единицы, десятки ОМ) является существенным недостатком, т.к. в межкаскадных соединениях снижает усиление по напряжению и мощности.
Основной особенностью схемы с ОЭ является большой коэффициент передачи по току
или
учитывая , что , то ; т.е. в схеме с ОЭ можно получить коэффициент прямой передачи тока несколько десятков. Входное сопротивление схемы с ОЭ значительно больше схемы с ОБ. Достоинством схемы является то, что ее можно питать от одного источника напряжения.
Следует отметить, что температурная стабильность схемы с ОБ лучше схемы с ОЭ.
Для схемы с ОК
Несмотря на большой коэффициент передачи по току, схема не обеспечивает усиление по напряжению.
Основными показателями транзисторного усилительного каскада являются:
Для схемы с общим эммитером:
Реальные свойства транзисторов можно определять с помощью схем замещения. Широкое распространение получили Т-образные схемы.
| >> |
| >> |
Рис. 7. Схема с ОЭ Рис. 8. Схема с ОБ
| >> |
Рис. 9. Схема с ОК
Для схемы с ОБ ,
Для схемы с ОЭ
Для схемы с ОК
Таблица 1.
Ориентировочные показатели схем включения тр-ов.
| Тип схемы | Усиление | Входное сопротивление Ом | ||
| ОБ | I | до 1000 | до 1000 | един.- десятки |
| ОЭ | 10-100 | до 100 | до 1000 | Сотни |
| ОК | 10-100 | до 100 | Десятки тыс. |
Транзистор как активный четырехполюсник.
При работе транзистора в усилительном режиме его свойства определяются малосигнальными параметрами для которых транзистор можно считать линейным элементом. На практике наибольшее применение получили малосигнальные гибридные h- параметры.
Рис. 10.
Для любой схемы вкл. тр-ра можно записать:
Коэффициенты - называют - параметрами. Каждый параметр имеет определенный физический смысл.
Параметр представляет собой входное сопротивление ( при );
при
Параметр определяет степень влияния выходного напряжения на режим входной цепи и называется коэффициентом обратной связи.
Параметр ; - называется коэффициентом усиления по току.
Параметр ; - называется выходной проводимостью.
Между -параметрами и параметрами T-образной схемы замещения существует определенная зависимость
Статические характеристики биполярного транзистора.
Статистические характеристики тр-ра отражают зависимость между токами и напряжениями на его входе и выходе.
Для схемы с ОЭ статистической входной характеристикой является график
.
График называется стат. выходной характеристикой.
Рис. 11. Входная характеристика биполярного транзистора.
Из рисунка видно, что с ростом напряжения , ток уменьшается. Это связано с тем, что при больших напряжениях дырки не успевают рекомбинировать в базе.
Рис. 12. выходная характеристика биполярного транзистора.
Резкая крутизна тока зависит от того, что к коллекторному переходу прикладывается напряжение .
Рис. 13. Функциональная схема транзистора типа p-n-p с источниками питания.
Эксплуатационные параметры транзистора.
Для транзистора существует ряд эксплуатационных параметров, предельные значения которых приводятся в справочнике.
К числу таких параметров относятся:
1). Максимально допустимая мощность , рассеиваемая коллектором.
В общем случае мощность, рассеивания транзистором, складывается из мощностей, рассеиваемых каждым p-n переходом поскольку то
Необходимо следить, чтобы
2). Максимально допустимый ток коллектора , ограничивается максимально допустимой мощностью, рассеиваемой коллектором. Превышение тока коллектора приводит к тепловому пробою.
3). Максимально допустимое напряжение что напряжение определяется величиной пробивного напряжения перехода.
Из соображений надежности работы схемы не рекомендуется использовать величины токов, напряжений и мощностей выше 70% их наибольших допустимых значений.
4). Предельная частота усиления по току ( или )- частота при которой коэффициент усиления по току уменьшается до 0,7 (в раз) своего значения на низких частотах.