Биполярные транзисторы

Курс: Компьютерная системотехника

Тема: Биполярные транзисторы

1. Биполярные транзисторы

 

      Определение.

      Транзистор- ППП с 3-мя электродами, служащий для усиления сигналов (в общем случае по мощности) или их переключения.

2. Типы биполярных транзисторов и их диодные схемы замещения

 

      Различают кремниевые (рис.1) и германиевые транзисторы (рис.2). 

      

      Рис.1. Рис.2. 

      На  рис.1 и 2 показаны условные графические обозначения кремниевых (n-p-n) и германиевых (p-n-p) транзисторов и соответствующие им диодные схемы замещения.

      Транзистор  состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим n - или p - слоем. Электрод связанный с ним называется базой (Б). Дав других электрода называются эмиттером (Э) и коллектором (К). Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с его графическим обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистoра, но она дает возможность представлять действующие в нем обратные и прямые токи и напряжения.

 

3. Физические явления в транзисторах

 

      Эмиттерная  область транзистора является источником носителей заряда, а область улавливающая эти носители заряда называется коллектром. Область, которая управляет потоком этих носителей, называется базой. 

        

      При подключении прямого напряжения между эмиттером и базой происходит инжекция носителей зарядов через открытый (смещенный в прямом направлении) переход Э-Б, т.е. переход их из области эмиттера в область базы.

      Таким образом образуется эмиттерный ток (Iэ) через соответсвующий переход (ЭП- эмиттерный переход).

      Как известно, при “дырочной" проводимости типа “p" основными носителями заряда являются “дырки”, а неосновными - электроны. Часть “дырок” пришедших в базовую область рекомбинируют в электроны, появляется ток базы (Iб), который очень мал по сравнению стоком эмиттера, так как только малая часть инжектированных “дырок” (носителей заряда) рекомбинирует.

      Между коллектором и базой прикладывается обратное напряжение, поэтому говорят  что носители заряда из области базы экстрагируются (втягиваются) в коллекторную область и за счет этого образуется ток коллектора (Iк).

      Таким образом, на основании приведенных  выше рассуждений можно записать следующие простые соотношения  между токами эмиттера, базы и коллектора: 

      Iэ= Iб+Iк (1); Iб<<Iк (Iэ) (2); Iк @ Iэ (3);

      Iк  = a × Iэ ® a = Iк / Iэ » (0,9¸0,99) <1 (4);

      Iк  = a × Iэ + Iкбо (5),  

      где a × Iэ - управляемый ток, Iкбо - неуправляемый (обратный) ток, протекающий через переход Б-К в направлении противоположном прямому току Iк через этот переход. 

      

      Iк  = b × Iб ® b = Iк / Iб (6);

      Iк  = b × Iб + Iкбо;

      Uб » Uэ - Uэб (7);

      b = a / 1 - a (8);

4. Подача напряжений питания

 

      Обычно  переход Э-Б смещен в прямом направлении, а К-Б - в обратном. Поэтому источники напряжений питания транзисторов должны быть включены, как показано на рис.3 и 

      

      Рис.3        Рис.4 

      Основная  особенность транзисторов состоит  в том, что коллекторный ток Iк  является кратным базовому току Iб. Их отношение b = Iк / Iб называют коэфициентом усиления по току.

5. Схемы включения и статические параметры

 

      Существуют  три основные схемы включения  транзисторов:

      1) - ОЭ

      2) - ОБ

      3) - ОК

      1) Схема с общим эмиттером применяется наиболее часто.

      В этой схеме управляющее напряжение прикладывается к участку Б-Э, выходной сигнал снимается с резистора нагрузки, включенного в коллекторную цепь (потенциал эмиттера фиксирован). 

      

      Рис.5. Включение транзистора по схеме с ОЭ (а) и эквивалентная схема (б) для данного случая. 

      Вольт - амперные характеристики и режимы работы транзистора в данном случае приведены на рис.5.2.

      Входные характеристики приведены на Рис.6а, выходные - на Рис.6б. 

      

      а)        б)

      Рис.6. Входные и выходные вольт - амперные характеристики транзистора включенного по схеме с ОЭ. 

      На  семействе выходных характеристик  выделяют три области:

      1) Область линейного усиления;

      2) Область наыщения:

      3) Область отсечки.

      В соответствии с этим транзистор может  работать в трех режимах.

      ¨ В области линейного усиления, увеличение тока базы приводит к пропорциональному изменению тока коллектора, при этом динамическое сопротивление участка К-Э стремится к ¥

      rкэ = vUк / vIк;

      ¨ В области насыщения, изменение тока коллектора не приводит к существенному изменению напряжения на коллекторе. Динамичнское сопротивление участка К-Э стремится к 0.

      ¨ В области отсечки Iк = Iкбо » 0. Динамическое сопротивление сопротивление участка К-Э стремится к ¥.

      Величина Iк сверху ограничена допустимой рассеиваемой мощностью на участке К-Э. Превышение предельного тока Iк max ведет к разрушению транзистора, поэтому необходимо обеспечить схемные средства ограничения Iк. В простейшем случае это резистор в коллекторной (или эмиттерной) цепи фиксирующий ток коллектора на уровне Iк max = Eп / Rк. Но, в этом случае, потенциал коллектора изменяется при изменении тока коллектора (т.е. Uк = f (Iк)). Эта зависимость определяется так называемой нагрузчной прямой, отсекающей на осях координат два отрезка:

      1) на оси абсцисс напряжение питания Еп при Iк = 0;

      2) на оси ординат Iк max = Eп / Rк.

      Пересечение нагрузочной прямой и выходной характеристики при конкретном токе базы дает, так называемую, рабочую точку.

      Т.о. транзистор может работать в одном из следующих режимов (для n-p-n):

      1) нормальный активный режим: Uбэ>0, Uкб>0

      2) инверсный активный режим: Uбэ<0, Uкб<0

      3) режим насыщения: Uбэ>0, Uкб<0

      4) режим отсечки: Uбэ<0, Uкб>0

      Нормальный  активный режим.

      В этом режиме переход Б-Э смещен в  прямом направлении, а Б-К - в обратном.

      При анализе основных схем включения  транзисторов (здесь ОЭ, а далее ОБ и ОК) воспользуемся упрощенным (эквивалентным) представлением биполярного транзистора для низких частот, изображенном на рис.5. б.

      Входная цепь представлена динамическим входным  сопротивлением rбэ, а в коллекторной цепи использован управляемый источник тока коллектора (Iк = S × Uбэ),

      где 

        

      При этом внутреннее динамическое сопротивление включено параллельно этому источнику тока, как и следует из теории электрических цепей (Теорема Теверена об эквивалентном генераторе). При определении основных характеристик и параметров схемы здесь и далее будем считать, что идеальные источники напряжений питания (Еп) и входного сигнала (Uвх).

      Ток коллектора 

      1) Iк = a / 1 - a × Iб + 1/1 - a × Iкбо = b × Iб + (1+b) × Iкбо » b × Iб, 

      где: a - коэфициент передачи по току (т.е. коэфициент передачи тока из эмиттерной цепи в коллекторную) в схеме с ОЭ. Т. к. b>>1, то в схеме с ОЭ возможно усиление по току (потому, что Iб<<Iк!).

      2) Ток базы закрытого транзистора. При Uбэ = 0 (транзистор закрыт) Iб » Iкбо, т.е. из базы вытекает ток, » обратному тепловому току перехода К-Б.

      3) Входное сопротивление 

      

        

      Тогда ток базы, который также зависит  и от Uбэ можно примерно определить так: 

      Iб  = Iк × b, где b = h_{21 э} 

      4) Коэфициент усиления по напряжению 

        

      5) Коэфициент усиления по току 

        

      6) Выходное сопротивление 

        

      Режим насыщения

      В этом режиме оба перехода смещены  в прямом направлении.

      Внешним проявлением режима насыщения является отсутствие зависимости Iк от Iб. Для схемы с ОЭ существует некоторый “граничный” ток Iбн, при котором достигается насыщение коллекторного тока

      Iкн = b × Iбн

      При дальнейшем увеличении тока базы ток  коллектора не увеличивается и может  быть введен некоторый коэфициент, характеризующий:

      1) Степень насыщения 

      N = Iб / Iбн Þ Iкн = N × Iк 

      2) Входное сопротивление 

      Rвх_н = Rвх / b,  

      где Rвх - входное сопротивление в активной линейной области.

      3) Выходное напряжение 

      Uвых  = Uкэн » Uбэ 

      Это так называемое остаточное напряжение на участке К - Э, слабо зависящее от величины коллекторного тока.

      4) Выходное сопротивление 

      Rвых » rкэ » Rвых / b » Rк / b,  

      где Rвых - выходное сопротивление в активной линейной области.

      Режим отсечки

      В этом режиме оба перехода смещены  в обратном направлении.

      1) Iэ » 0

      2) Iк » Iкбо

      3) Iб » - Iкбо

      Границей  режима отсечки является обратное напряжение (напряжение отсечки) на переходе Б-Э (Uбэ_обр), при котором Iэ = 0!

      В большинстве цифровых схем Uбэ_обр такое, при котором Iб уменьшается в 100-200 раз!!

      2) Схема с общей базой

      В этой схеме управляющее напряжение прикладывается к участку Э-Б, а  входной сигнал снимается с резистора  нагрузки, вкюченного в коллекторную цепь. Потенциал базы при этом фиксирован, а потенциал Э должен быть меньше потенциала Б, если переход Б-Э смещен в прямом направлении. 

      

      а)         б)

      Рис.7 

      На  рис.7 показана схема включения транзистора с ОБ и ее эквивалентная схема на низких частотах.

      Вольт - амперная характеристика и режимы работы 

      

      а)        б)

      Рис.8 Входные а) и выходные б) характеристики. 

      Нормальный  активный режим.

      В этом режиме, как и в схеме с  ОЭ, переход Б-Э смещен в прямом направлении, переход К-Б в - обратном. 

      1) Iк = a × Iэ + Iко (e^Uкб/Uт -1) = a × Iэ + Iкбо » a × Iэ 

      Т. к. a<1, то усиление по току в такой схеме невозможно Iк = b × Iб.

      2) 

        

      3) Ki = a » 1

      4) Rвх » rбэ / ÙUвх / Ù Iвх, т.е. в b раз меньше чем всхеме с ОЭ!!

      5) 

       ,  

      т.е. такое же как и в схеме с ОЭ.

      Режим насыщения

      в данной схеме возможно только при Uк < Uб, что недостижимо при фиксированной полярности питания. Т.е. режима насыщения нет.

      3) Схема с общим коллектором

      Это по сути частный случай схемы с  ОЭ при Rк = 0! Поэтому, практически все соотношения для токов транзистора и потенциалов на его переходах, характерные для схемы с ОЭ, могут быть применим и в данном случае.

      В этой схеме управляющее напряжение приложено к участку Б-Э, выходной сигнал снимается с резистора  нагрузки, включенного в эмиттерную цепь. Потенциал коллектора при этом фиксирован!

      Причем, в этой схеме, также как и в  схеме с ОБ, отсутствует режим  насыщения, поскольку потенциал  коллектора никогда не может быть ниже потенциала базы!!

      Параметры схемы в режиме отсечки аналогичны таковым в схеме с ОЭ!!

      На  рис.8 приведены схема включения и ее эквивалентная схема. 

      

      Рис.8 

      1)

      

      2)

        

      3) Rвх = rбэ + b × Rэ, т.е. во много раз больше чем Rвх в схемах с ОЭ и ОБ! (десятки и сотни кОм). 

      4)

        

      Т. е. такая схема имеет высокий Ki, малое Rвых и большое Rвх!!

6. H и Y параметры транзисторов

 

      Транзистор  можно рассматривать как четырехполюсник  где  

      Uвх = U_1,Iвх = I₁, Uвых = U₂, Iвых = I₂.

      h_11э = ÙUбэ / ÙIбэ ÷ Uк = const = Rвх

      h_12э = ÙUбэ / ÙUк ½Iб = const - 

      коэффициент внутренней ОС (очень малая величина, которой в инженерной практике пренебрегают и принимают = 0)

      h_21э = ÙIк / ÙIб ½Iб = const = b

      h_22э = ÙIк / ÙUк ½Iб = const -  

      Выходная  проводимость  

      ([Сименс] = 1/Ом)

      Rвых  = 1/ h_22э 

      В настоящее время для практических расчетов h и y параметры практически не используются!

7. Влияние температуры на статистические характеристики транзистора. Динамические параметры

 

      Это параметры, которые совместно с  такими же параметрами других компонентов  схемы определяют вид АЧХ линейной схемы или характер переходных процессов в ключевых схемах.

      Частотные свойства транзистора в активном режиме определяются:

      инерционностью  процессов распространения подвижных  носителей в транзисторной структуре (в основном на базе);

      наличием  емкостей переходов (в частности барьерной емкостью коллекторного перехода) и конечным значением внутренних сопротивлений;

      эффектами накопления и рассеивания зарядов.

      Обычно, для упрощения анализов динамических процессов, большую часть источников инерционности процессов в транзисторе  сводятся к эквивалентным емкостям (зависящим, в общем случае, от напряжения и частоты). За счет этого получают достаточно простые эквивалентные схемы транзистора на переменном токе, приведенные на рис.5.6. 

      

      Рис.9. Эквивалентные схемы для активного режима а) и режима отсечки б). 

      Коэффициент передачи по току может быть представлен характеристикой ФНЧ первого порядка 

       ,  

      где w_b - частота среза.

      Во  временной области эта зависимость  имеет вид: 

       ,  

      где t_b = 1/w_b - постоянная времени изменения коэффициента передачи по току.

      Граничной частотой усиления (или “частотой единичного усиления”) называют частоту, при которой модуль коэффициента усиления уменьшается до

      В практических в расчетах используется соотношение 

      w_гр = b × w_b

      t_a = t_b / (1+b) или t_b = (1+b) t_a » b × t_a, 

      где t_a = 1/2pf_a, f_a - граничная частота усиления для схемы с ОЭ, которая приводится обычно в справочных данных!

      Кроме f_a в справочных данных приводятся значения t_a и t_b, а также величины емкостей эмиттерного (С^*_эо) и коллекторного (С^*_ко) переходов при Uкб=0, Uэб=0, Uкк и Uэк - контактная разность потенциалов переходов К-Б и Э-Б.

      Особенности переходных процессов в ключевом режиме работы транзистора включенного, например, по схеме с ОЭ заключается в наличии времени рассасывания заряда неосновных носителей, накопленного в базе при протекании тока в отрытом и насыщенном состоянии. Причем, с увеличением Iкн увеличивается tр! 

      Iк (t) = b (t) × Iб

      Iкн = b_о × Iбн ® Iбн = S × Iбо 

      

9. Предельно допустимые параметры

 

      1) Uэб_обр - электрический (Зенеровский) или тепловой пробой перехода Б-Э