Биполярные транзисторы.
Транзисторы.
ЛЕКЦИЯ 9
Транзистор − это п/п прибор, имеющий 2 электронно-дырочных перехода, образованных слоями N-P или P-N-типа. Имеет 3 или более выводов. Изготавливают на базе германия или кремния. Термин «биполярный» обусловлен наличием 2-х типов носителей зарядов: электронов и дырок.
В зависимости от чередования областей различают транзисторы N-P-N и P-N-P-типа.
Структура биполярного транзистора
Центральный слой − называется базой (Б).
Наружный слой, являющийся источником зарядов − эмиттер (Э), принимающий заряды − коллектор (К). Источник питания Э-Б Uвх включают в прямом направлении (переход Э-Б имеет малое сопротивление). На переход коллектор-база источник энергии Uвх включают в обратном направлении.
Под действием Еэ электроны из эмиттера преодолевают N-P-переход и попадают в область базы, где частично рекомбинируют с дырками (рекомбинация − восстановление и воссоединение электрона и дырки), образуя ток базы Iб Обычно концентрация дырок в базе низкая и не все электроны рекомбинируют, большинство электронов вследствие диффузии и поля Ек преодолевают коллекторный P-N-переход, и в цепи Б-К образуется ток коллектора - Iк0
Когда IЭБ = 0, будет небольшой ток через коллекторный переход Iко. Он обусловлен движением неосновных носителей заряда: электронов из базы в коллектор, дырок из коллектора в базу. Коллектор предназначен для экстракции (изъятия) неосновных носителей заряда из базы.
a = ΔIк/ ΔIэ при Uкб = сonst
где a – коэффициент передачи тока.
a = 0,9 − 0,995(Iб − мал, Iк ≈ Iэ, область n − тонкая, дырок мало и − Iб − мало)./
Транзисторы p-n-р-типа, работают аналогично, отличаются противоположными направлениями Eэ, Eк, Iб, Iэ, Iк.
|
Схема транзистора с ОБ
Рассмотренная схема - схема с ОБ. Применяется редко, так как мал a и мало дифференциальное входное сопротивление Rвх:
Rвх = ΔUвх/ΔIвх = ΔUбэ/ΔIбэ
Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) − это основная схема.
Схема транзистора с ОЭ
Эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей,
Iэ = Iб + Iк
Коэффициент усиления по току с ОЭ
= Δ Iк/ Δ Iб при Uкэ = const
Так как
Δ Iб = Δ Iэ – Δ Iк,
то если a = 0,995, то Ki = = Δ Iк / (Δ Iэ – Δ Iк) делим числитель и знаменатель дроби на ∆Iэ и получим, что
.
Достоинства: малый ток IБ, большой β, коэффициент усиления по мощности достигает нескольких тысяч.
Схема с общим коллектором (ОК) (эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе примерно равно входному по величине и фазе) представлена на рисунке.
Схема транзисторов с ОК:
Где IБ – входной ток; IЭ – выходной ток, DІЭ = DІБ – DІК
Коэффициент усиления по току
K I = Δ Iэ/ Δ Iб = (Δ Iб + Δ Iк)/ Δ Iб
Выходная характеристика транзистора
Используется для построения специальных каскадов, имеет большие Rвх и малое Rвых.
Основные характеристики и параметры транзисторов с ОЭ :
Iк(Uкэ) при Iб = const – выходные характеристики;
Iб(Uбэ) при Uкэ = const – входная характеристика ;
Iк(Uбэ) при Uкэ = const – передаточная характеристика.
а б
Входная и передаточная характеристики: а - входная; б - передаточная
Параметры:
1) дифференциальное выходное сопротивление (определяется по выходной характеристике)
Δ Uкэ /Δ Iк при IБ = const;
2) дифференциальное входное сопротивление (определяется по входной характеристике)
Rвх =Δ Uбэ/Δ Iб при Uбэ = const;
3) крутизна
S = Δ Iк/Δ Uбэ п=Δ Uбэ при Uкэ = const;
4) статический коэффициент усиления μ = SRвых ≈ SRк.
Для расчета и анализа цепей с биполярными транзисторами используются h-параметры. Считают Iб и Uкэ независимыми переменными, a UбЭ и Iк − зависимыми, т. е,
Uбэ = F1(Iб,Vкэ),
Iк = F2(Iб, Uкэ),
Обычно h-параметры определяют по характеристикам:
h11 = Δ Uбэ/ Δ Iб при Uкэ = const (∆Uкэ = 0) – Rвх, Ом;
Безразмерный коэффициент обратной связи по напряжению:
h12 = Δ Uбэ/ Δ Uкэ при Iб = const.
(h12 = 0,002−0,0002 – мало, можно пренебречь).
Коэффициент передачи по току, безразмерный:
h21 = Δ Iк/ Δ Iб при Uкэ = const.
Выходная проводимость
h22 = Δ Iк/ Δ Uкэ при Iб = const.
Схема замещения (h12 = 0).
Существуют следующие ограничения:
Pк = Iк · Uкэ ≤ Pк.max − для предотвращения перегрева коллектора;
Uкэ ≤ Uкэ.mах − во избежание пробоя коллекторного перехода, Iк ≤ ≤ Iк.mах − во избежание перегрева эмиттерного перехода. Для повышения Pк.mах делают транзисторные сборки на Iк до 500 А.
Схема замещения транзистора
Биполярные транзисторы широко применяются в усилителях, генераторах, логических и импульсных устройствах.