Биполярный транзистор – система двух взаимодействующих p-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями обоих знаков. В зависимости от чередования p- и n- областей различают npn(обратные) и pnp(прямые) транзисторы.
В реальных конструкциях одна из крайних областей имеет большую степень легирования и меньшую площадь, её называют эмиттером. Другую крайнюю область называют коллектором, а среднюю – базой. Переход, образованный эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а переход, образованный коллектором и базой – коллекторным переходом. Взаимодействие p-n-переходов обеспечивается выбором толщины базы. База должна быть достаточно тонкой (толщина базы должна быть много меньше длины диффузии неосновных носителей в базе).
e-(электроны) из Э1(эмитера) инжектируются в Б1(базу).
| w |
| Lдн |
| К |
| np |
| n |
| Б |
| Э |
| x |
| Lдн - длина диффузии W – толщина базы |
где <1 - статический коэффициент передачи тока эмиттера;
- обратный ток коллекторного перехода.
Существует множество технологий производства транзисторов.
[1] Сплавной транзистор
[2] Эпитаксиально-планарный транзистор
[3] Скрабирование – разрезание
Типы:
Условно графически обозначается:
| 12(14) |
| 9(11) |
| 9(11) |
| 4,5(5,5) |
| Б |
| Э |
| К |
| n-p-n |
| 12(14) |
| 9(11) |
| 9(11) |
| 4,5(5,5) |
| Б |
| Э |
| К |
| p-n-p |
Npn pnp
Схемы включения:
| (1) схема с общей базой | (2) схема с общим эмиттером | (3) схема с общим коллектором |
Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:
1) Нормальный активный режим /НАР/ - Э-переход смещён в прямом направлении, К-переход смещён в обратном направлении
2) Режим насыщения – Э- и К-переходы смещены в прямом направлении
3) Режим отсечки - Э- и К-переходы смещены в обратном направлении
4) Инверсный активный режим /ИАР/ - Э-переход смещён в обратном направлении, К-переход смещён в прямом направлении.
НАР используется в усилительных устройствах; РН, РО используются в цифровых и импульсных устройствах. Такие схемы называются ключевыми (0/1).
Режимы работы: активный, отсечки, насыщения.
В активном режиме эмиттерный переход транзистора типа p-n-p с общ. эмитером включается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. На рис. показано движение носителей зарядов - электронов (• ) и дырок (о ) при подключении Р-N переходов к источникам питания. Объемные заряды Р-N перехода коллектор-база на рис. а обозначены
Так как концентрация дырок в эмиттере значительно больше концентрации электронов в базе, включение эмиттерного Р-N перехода в прямом направлении приводит к значительной инжекции дырок Iэ из эмиттера в базу. В базе этот ток разветвляется - основная часть идет в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектра, другая - в цепь базы - управляющий ток базы.
Статические характеристики биполярных транзисторов -- графики выражающие функциональную связь между токами и напряжениями транзистора.
Входная характеристика и выходная характеристика – основные характеристики.
Входная характеристика – зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении.
Выходная характеристика – зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.
Наибольшее распространение получили статические характеристики, относящиеся к "гибридной", или - системе - входные IБ= f (Uбэ) при Uкэ = const(рис. 15), выходные Ik = f (Uкэ) при IБ= const ( рис. 16);.
По статическим характеристикам определяют -параметры транзисторов. Параметры h11э(входное сопротивление транзистора) и h12 (коэффициент обратной связи по напряжению) рассчитывают по входным характеристикам (рис. 15) из характеристического треугольника AA1A2, а h21э (коэффициент передачи тока) и h21э(входная проводимость) - по выходным характереристикам(рис.16) из характерисического треугольника ВВ1В2.
С помощью параметров сравнивают качество транзисторов, решают задачи, связанные с применением юс в различных схемах, рассчитывают эти схемы.
15. устройство, принцип действия биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эммитером. Характеристики, параметры.
Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке:
Характеристики транзистора в этом режиме будут отличаться от характеристик в режиме с общей базой. В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы , и напряжение на коллекторе ,, а выходными характеристиками будут ток коллектора , и напряжение на эмиттере ,.Известна связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде: В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа): ; , а после перегруппирования сомножителей получаем: (5.30)
Коэффициент перед сомножителем показывает, как изменяется ток коллектора при единичном изменении тока базы . Он называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент значком . (5.31) Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α < 1), то из уравнения (5.31) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β >> 1). При значениях коэффициента передачи α = 0,98÷0,99 коэффициент усиления будет лежать в диапазоне β = 50÷100. С учетом (5.31), а также выражение (5.30) можно переписать в виде:
,(5.32) где - тепловой ток отдельно взятого p-n перехода, который много больше теплового тока коллектора , а величина определяется как
Продифференцировав уравнение (5.32) по току базы , получаем . Отсюда следует, что коэффициент усиления β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора при изменении тока базы . Для характеристики величины β как функции параметров биполярного транзистора вспомним, что коэффициент передачи эмиттерного тока определяется как α = γ·µ, где
Следовательно, . Поскольку W/L << 1, а γ ≈ 1, получаем:
На рисунке приведены вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером с током базы, как параметром кривых. Сравнивая эти характеристики с аналогичными характеристиками для биполярного транзистора в схеме с общей базой, можно видеть, что они качественно подобны.
Проанализируем, почему малые изменения тока базы вызывают значительные изменения коллекторного тока . Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.
Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.