Режимы работы транзистора

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

 

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)

 

 

Кафедра «Инфокоммуникационные системы и информационная безопасность»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

режимы работы транзистора

 

Тематический реферат

по дисциплине «Электроника»

 

 

 

 

 

                                                                    Студент группы ХХ

                                                         ________________

                                                                                        (подпись студента)

                                                           

                                                               _____________                                                                                                                                                                                                                                                    

                                                                                                   (дата)

                                  Проверил –

                                       преподаватель кафедры ХХ

                                                  _____________________

                                       (подпись преподавателя)

                                                               _____________                                                                                                                                                                                                                                                     

                                                                                                     (дата)

                                          

       

 

 

Омск 2014

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Полупроводниковые приборы ( диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности. Для конструирования надёжных схем на транзисторах, то есть для правильного выбора типа транзистора, грамотного расчёта схем, выбора оптимального теплового и электрического режимов, необходимо располагать подробными сведениями, характеризующими эксплуатационные свойства транзисторов.

Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные корпуса ).

Основные материалы из которых изготовляют транзисторы — кремний и германий, перспективные – арсенид галлия , сульфид цинка и широко зонные проводники .

Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.

Биполярный транзистор представляет собой транзистор, в котором используются заряды носителей обеих полярностей.

 

1 Общие принципы

Биполярные транзисторы - это приборы на основе трехслойной структуры. Существуют две структуры, которые представлены на рис. 15а, 15б. Структура транзистора имеет три области с тремя чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p-n-p- и n-p-n типа. Они имеют два p-n перехода. Существуют еще полевые транзисторы, имеющие другие структуры.

Транзистор является управляемым прибором. Управляющим выводом является база Б, который делается от среднего слоя. Другие два вывода называются эмиттер Э и коллектор К. Управляющей цепью является переход база-эмиттер Б-Э. Этот переход является диодным и ток через него может протекать только по направлению проводимости диодного перехода. Цепь коллектор-эмиттер К-Э является управляемой цепью. С помощью тока через переход Б-Э можно управлять током через переход К-Э.

Переход база-эмиттер (эмиттерный переход) за счет источника Еб смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база (коллекторный переход) за счет источника Ек смещен в обратном направлении. Переход база-эмиттер – это диод, включенный в прямом направлении. Переход коллектор-база – это диод, включенный в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа переходят в базу p-типа и движутся по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, затягиваются полем объемного заряда коллекторного перехода и стремятся к минусу источника Ек, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток.

Лишь малая часть электронов в базе p-типа в процессе движения в сторону коллектора рекомбинирует с дырками. Дело в том, что база делается слабо легированной, т.е. с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой. Когда электрон рекомбинирует в базе, происходит кратковременное нарушение равновесия, т.к. база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базового источника Еб. Этот источник является поставщиком дырок для компенсации рекомбинирующих в базе зарядов, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока.

Если коллекторную цепь разорвать, то все электроны циркулировали бы в цепи база-эмиттер. При наличии коллекторной цепи большая часть электронов устремляется в коллектор.

Таким образом, транзистор является прибором, который управляется током. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход по сравнению с их потоком через переход эмиттер-база характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера a=Iк/Iэ. Обычно a=0,9…0.995. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока базы в рассматриваемой схеме включения транзистора (она называется схемой с общим эмиттером). Этот коэффициент обозначают h21Э. Он равен h21Э=Iк/Iб>>1. Обычно h21Э =10…300.

Физически в работе транзистора принимают участие заряды двух типов (электроны и дырки), поэтому он называется биполярным.

При рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан тем, что область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое количество свободных электронов. В тоже время область базы легируется очень слабо, что дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер.

Таким образом, транзистор является усилительным прибором. В зависимости от схемы включения он может обеспечивать усиление по току, напряжению или по мощности. Возможно одновременное усиление и по току, и по напряжению, и по мощности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Основные параметры транзистора

1. Коэффициент усиления по току.

Обычно используется коэффициент усиления h21Э в схеме с общим эмиттером:

 

                                            h21Э=Iк/Iб>>1,                                           (2.1)

 

где Iб - ток базы; Iк - ток коллектора.

Транзистор является как бы узлом, как показано на рис. 19, поэтому

 

                                                    Iэ=Iб+Iк.                                           (2.2)

 

токи коллектора и эмиттера связаны соотношением:

 

                                                 Iк/Iэ=a<1.                                                 (2.3)

 

Найдем связь a и h21Э.

 

            a=Iк/(Iб+Iк)=1/(Iб/Iк+1)=1/(1/h21Э+1)=h21Э/(1+h21Э)                (2.4)

 

-это очень близко к 1. Аналогично находим:

 

                                        h21Э=Iк/Iб=a/(1-a).                                         (2.5)

 

Иногда для получения большого коэффициента усиления используется схема составного транзистора, которая получается, если два транзистора соединить по схеме:

 

                                        

Рисунок 2.1 – Схема составного транзистора

Коэффициент усиления составного транзистора:

Iк1= b1×Iб1;

Iк2=b2×Iб2;

Iб2=Iэ1=(1+b1)×Iб1;

Iк=Iк1+Iк2.

Из этих уравнений:

                                Iк=[b1+(1+b1)×b2]×Iб1»b1×b2×Iб1                           (2.6)

Коэффициент усиления транзистора h21э зависит от частоты, на которой работает транзистор, и от тока коллектора. С увеличением частоты h21Э падает. Это связано с проявлением его инерционных свойств в основном из-за наличия емкости коллекторного перехода. Для большинства транзисторов указывается граничная частота, при которой коэффициент усиления равен единице. Зависимость h21Э от тока коллектора представлена на рис. 20.

Любое включение, отличное от нормального, называется инверсным. Инверсия - изменение знака. При этом h21Э сильно падает и прибор перестает быть усилителем, хотя и остается управляемым.

2. Напряжение  коллектор-эмиттер максимальное - Uкэ max.

Указывается при отключенной (оборванной) базе или при конечном значении сопротивления Rбэ, которое включается как показано на рис. 22. Uкэ при оборванной базе меньше, чем Uкэ при наличии Rбэ. Величина Rбэ обычно указывается в справочнике. В настоящее время выпускаются транзисторы на напряжение до1500 В.

3. Ток коллектора максимальный - Iк max; ток коллектора импульсный за определенное время - Iки>Iк max.

4. Частотные  свойства транзистора.

Различают: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (СВЧ) – Таблица 1. Есть также импульсные или переключательные транзисторы.

Обозначения транзисторов:

КТ ХХХ А, Б..., где ХХХ – цифры; буквы А,Б…характеризуют особенности электрических параметров. Например, КТ 908- импульсный, КТ 315 - очень распространен. ГТ ХХХ - германиевый транзистор. Чем больше значения цифр, тем выше частотные свойства и мощность транзистора. В настоящее время существует большое количество транзисторов с четырьмя цифрами в обозначении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Схемы включения транзисторов

В зависимости от того, какой из трех выводов является общим для входной и выходной цепи, различают три основные схемы включения транзисторов: схема с общим эмиттером, схема с общим коллектором, схема с общей базой.

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером используется наиболее часто. Взаимосвязь токов и напряжений в транзисторе устанавливают входные и выходные характеристики. Входная характеристика повторяет уже знакомую нам вольт-амперную характеристику диода.

При изображении выходной характеристики необходимо помнить, что коллекторный переход работает в режиме диода, включенного в обратном направлении.

Поэтому выходная характеристика – это обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода, перенесенная в первый квадрант.

Выходных характеристик целое семейство, т.к. они изображаются для разных значений токов базы. При Iб=0 через транзистор протекает тепловой ток Iк0 обратно смещенного коллекторного перехода.

Коэффициент усиления входного тока базы схемы с общим эмиттером h21Э=Iк/Iб. Схема обеспечивает также усиление по напряжению и по мощности. Cхема применяется как усилительная и как ключевая.

3.1 Ключевой режим работы транзистора

Схема с общим эмиттером с ключевым режимом работы транзистора применяется для промежуточного усиления, как схема сигнализации, как схема питания электромагнитного реле.

Такая схема является основой интегральных логических элементов.

Свойства транзистора как усилителя тока описываются уравнением: Iк=h21Э×Iб, где h21Э>10. Из этого уравнения видно, что регулируя сравнительно небольшой ток базы, можно управлять значительным током нагрузки, расположенной в коллекторе транзистора.

Максимальный ток коллектора, который можно получить в схеме с коллекторной нагрузкой, равен:

 

                                             Iк max≈Uпит/Rк .                                        (3.1)

 

Максимальному току коллектора соответствует максимальный ток базы Iб max.

Дальнейшее увеличение тока базы не приведет к увеличению тока коллектора, т.к. транзистор полностью открыт, падение напряжения на нем близко к нулю и он не определяет ток коллектора.

Принято говорить, что он находится в состоянии насыщения. Это состояние характеризуется коэффициентом насыщения.

Коэффициент насыщения характеризует превышение реального базового тока над требуемым. Он равен отношению Iб/Iб max. Его величина всегда больше единицы.

Чем сильнее будет насыщен транзистор, тем меньше будет напряжение коллектор–эмиттер и тем меньше будут тепловые потери в транзисторе.

Однако чрезмерное насыщение чревато большой неприятностью – в таком состоянии база транзистора накапливает большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора, когда прекращается ток базы.

При выключении транзистора в цепь базы подается отрицательное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным Iб выкл.

Пока происходит рассасывание неосновных носителей в базе, токи коллектора и базы не меняют своего значения, а транзистор находится в открытом состоянии.

Это время называется временем рассасывания tрас. После окончания процесса рассасывания происходит спад отрицательного тока базы и спад протекавшего через транзистор тока коллектора – время спада tсп.

Время выключения транзистора tвыкл равно:

 

                                               tвыкл= tрас+ tсп.                                          (3.2)

Минимальное время выключения получается, если в базу транзистора до момента выключения подавался ток пограничного режима насыщения Iб≤Iб max.

Для объяснения ключевого режима работы используют выходные характеристики. А и В - возможные рабочие точки. В точке А транзистор выключен (или ключ разомкнут), в точке В транзистор включен (ключ замкнут). Чтобы получить точку В, необходимо обеспечить соответствующий ток базы.

В точке А:

 

Uкэ=Uп-Rк×Iко; Iк=Iко.

В точке В:

Uкэ»0,1В; Iк=(Uп-Uкэ)/Rк.

 

В расчетах обычно пренебрегают величинами Iко»0, Uбэ»0,6В и Uкэ»0,1В. Обычно в открытом состоянии транзистора ток Iк задан. Требуемый ток базы Iб=Iк/h21Э обеспечивается базовой цепью

 

Iб =(Uб-Uбэ)/Rб.

Uбэ»0,6В, тогда

Rб=(Uб-0,6)/Iб;

Iк=(Uп-Uкэ)/Rк; Uкэ»0,1В.

Т. к. h21Э может меняться от значений Iк, от температуры, от времени, то ток базы Iб приходится задавать с запасом. При расчете Iб исходят из величины h21Эmin/(1,5...2). Число 1,5... 2 - это коэффициент насыщения.

Работу транзистора в точках А и В принято характеризовать следующими терминами:

точка А - состояние отсечки (отсечен ток коллектора);

точка В - состояние насыщения (транзистор открыт полностью).

Переход из состояния в состояние происходит скачком.

3.2 Усилительный режим работы транзистора

Рассмотрим мощность, выделяемую на транзисторе в двух возможных режимах: ключевом и усилительном. Нагрузочная прямая определяет возможные рабочие точки транзистора. В ключевом режиме мощность, выделяемая на транзисторе, соответствует точке А или В, т.е. всегда меньше максимальной возможной мощности. В усилительном режиме, когда возможно существование любых рабочих точек на нагрузочной прямой, мощность Pк может принимать и максимальное значение.

В усилительном режиме в общем случае входной сигнал может быть знакопеременным, например, синусоидальным. Переход база-эмиттер является диодным p-n переходом. Чтобы входная цепь транзистора могла работать с сигналом переменного тока, необходимо переход база-эмиттер сместить в прямом направлении, т.е. задать в базовой цепи рабочую точку по постоянному току. Относительно этого постоянного тока можно подавать в базовую цепь сигнал переменного тока, который будет усиливаться. Постоянный ток смещения базы будет определять постоянную составляющую тока коллектора в соответствии с соотношением Iк=Iб×h21Э. В усилительном режиме возможные рабочие точки находятся на нагрузочной прямой между точками А¢ и В¢. Ток смещения должен выводить рабочую точку коллектора транзистора по постоянному току на середину отрезка А¢ В¢, чтобы напряжение на коллекторе могло изменяться от этой середины как в сторону источника питания, так и в сторону общей точки.

3.3 Способы задания рабочей точки по постоянному току в усилительном режиме

Для задания рабочей точки по постоянному току необходимо в базу транзистора подать ток смещения. При этом необходимо обеспечить стабильность рабочей точки коллектора транзистора по постоянному току, т.е. исключить ее смещение при изменении параметров базовой цепи, при изменении температуры и с течением времени.

Обычно рабочая точка по постоянному току соответствует максимальной мощности Pк (т.е. максимальному нагреву транзистора).

 

4 Усилительные свойства биполярных транзисторов

4.1Усиление тока

Обычно зависимость тока коллектора от тока эмиттера выражается через коэффициент усиления по току, который обозначается буквой а («альфа»). Этот коэффициент определяется как отношение приращения тока коллектора Iк к воззвавшему его приращению тока эмиттера Iэ, а именно

                                                                                                 (4.1)

За счёт близкого расположения переходов и вследствие совершенной технологии производства величина а современных плоскостных транзисторов обычно находится в пределах от 0,9 до 0,997.

Одному и тому же приращению тока эмиттера будут соответствовать различные значения вызванного им приращения тока коллектора в зависимости от выбора исходной рабочей точки на характеристике. Это говорит о том, что величина коэффициента а зависит от напряжения на коллекторе и тока эмиттера.

При малых напряжениях коллектора коэффициент а растёт с увеличением напряжения. Это объясняется в основном тем, что при малых напряжениях носители зарядов базы вяло втягиваются в коллектор, но чем больше напряжение на коллекторе, тем энергичнее происходит втягивание. Нак5онец, при напряжении около 2 – 3 в практически все носители зарядов, оказывающиеся вблизи коллекторного перехода, попадают на коллектор. Поэтому дальнейший рост тока коллектора по мере увеличения напряжения на нём практически прекращается, а ток базы несколько уменьшается. При напряжении, близком к максимально допустимому для данного типа транзистора ( обычно 15 – 60 в, иногда более), вновь наблюдается заметный рост величины коэффициента а, которая может достичь единицы и более. Но такой режим работы практически не используется и обычно не рекомендуется, так как резко возрастает опасность выхода из строя транзистора.

Зависимость величины коэффициента а от режима работы транзистора вызывает необходимость проведения измерений при относительно небольших приращениях тока эмиттера. Обычно в таких случаях величина приращения Iэ не превышает 5 – 10 % исходного значения тока эмиттера Iэ:

Iэ < (0,05 – 0,1)Iэ.

Зная приращение тока эмиттера Iэ и величину коэффициента а, можно определить связанное с этим приращение тока базы Iб.

Действительно ток базы Iб = Iэ – Iк. Если выразить ток Iк через Iэ, как        

Iк = аIк, то получим: Iб = Iэ – аIэ = Iэ (1-а). Отсюда следует:

                                                                                                 (4.2)

Учитывая, что величина величина весьма близка к единице, из последнего выражения можно сделать вывод: изменение тока эмиттера в раз больше связанного с ним изменения тока базы.

Например, если , то

                                             ;                                       (4.3)

если , то

                                           .                                    (4.4)

Таким образом, изменяя величину тока базы, можно управлять током эмиттера и, следовательно, током коллектора.

Усиление транзистора по току зависит от схемы включения транзистора.

В зависимости от того, какой из трёх электродов транзистора является общим для цепей двух других, различаются три основные схемы (способа) включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Кроме трёх основных, есть ещё четвёртая, комбинированная, схема включения, называемая схемой с разделённой нагрузкой. В схеме с разделённой частью нагрузки включена в цепь коллектора (как в схеме ОЭ), а другая часть – в цепь эмиттера (как в схеме ОК).

В схеме с общей базой входным электродом является эмиттер, выходным коллектор. В соответствии с этим входным параметром является ток эмиттера Iэ, выходным – ток коллектора Iк, а коэффициент усиления по току Кi для схемы с общей базой, как это было показано выше, равен:

                                                                                            (4.5)

В схеме с общим эмиттером входным электродом является база, выходным – коллектор. Это значит, что входным параметром является ток базы Iб, выходным – ток коллектора Iк, а коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером равен:

                                                                                           (4.6)

Обычно коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером обозначается буквой :

                                                                                                (4.7)

Так как ток базы в большинстве случаев в десятки – сотни раз меньше тока коллектора, то величина коэффициента усиления должна быть много больше единицы. Действительно, после подстановки значений в формулу для получается: В этом большие преимущества схемы с общим эмиттером по сравнению со схемами с общей базой, усиление по току который не превышает единицы.

В схемах с общим коллектором входным электродом служит база, выходным – эмиттер. В соответствии с этим входным параметром является ток базы Iб, выходным – ток эмиттера Iэ. Коэффициент усиления по току Кi для этой схемы включения равен:

                                                                 (4.8)

то есть усиление по току для этой схемы включения примерно равно усилению по току схемы с общим эмиттером.

В схеме с разделённой нагрузкой входным электродом является база, выходными – эмиттер и коллектор. Следовательно, входным параметром является ток базы Iб, выходными параметрами – токи эмиттера и коллектора, Iэ и Iк. Коэффициент усиления тока для эмиттерной цени равен , а для коллекторной - , то есть в среднем можно считать, что для обеих выходных цепей

 

4.2 Усиление мощности

 

Когда говорится об усилительных свойствах того или иного прибора, то обычно имеется в виду в первую очередь усиление по мощности. Количественной оценкой усилительных свойств является коэффициент усиления по мощности Кр, показывающий, во сколько раз выходная мощность Рвых больше мощности, введённой во входную цепь прибора Рвх

                                                                                                (4.9)

Мощность может выражаться через квадрат тока или напряжения. В первом случае

вых;

вх

Следовательно,

                                                                            (4.10)

где Кi – коэффициент усиления по току.

Во втором случае

  

следовательно,

Где - коэффициент усиления по напряжению.

В том случае, когда известна величина Кр, а требуется найти усиление по напряжению, можно воспользоваться производной формулой:

                                                                                         (4.11)

Последняя формула часто используется для оценки усиления различных каскадов на транзисторах.

Поскольку величина Кр не зависит от того, через какие именно величины U и I её находили, то можно приравнивать между собой

 

                                                                                       (4.12)

 

отсюда следует:

 

                                                   .                                         (4.13)

 

Таким образом, зная коэффициент усиления по току Кi, а также величины входного и выходного сопротивлений, можно определить усиление по напряжению или мощности.

В ряде случаев расчёт усиления по напряжению целесообразно производить по формуле:

                                                                                            (4.14)

где - крутизна входной характеристики транзистора, определяющая усилительные свойства прибора. Крутизна входной характеристики, называемая просто крутизной S, имеет размерность ток/напряжение, то есть а/в или ма/в и характеризует, насколько изменяется выходной ток усилительного прибора в амперах или миллиамперах при изменении входного напряжения на один вольт. В этом определение крутизны характеристики транзистора практически не отличается от известного определения крутизны характеристики электронных ламп.

Основное достоинство последней формулы записи усиления напряжения в простоте её написания и применения, поскольку отпадает необходимость в предварительных громоздких расчётах коэффициента усиления тока и входного сопротивления. Используя некоторые приближённые выражения для определения величины S, можно быстро и с достаточной точностью рассчитать усилительные возможности самых разнообразных транзисторных устройств.