Биполярные транзисторы. Принцип действия. Схемы включения
Реферат
на тему:
Биполярные транзисторы. Принцип действия. Параметры. Схемы включения
по
дисциплине: Электроника
Содержание
1 Общие сведения
2 Принцип действия
Параметры
Схемы включения
Список используемой литературы
1. Общие сведения
Биполярный транзистор - это полупроводниковый
прибор с двумя взаимодействующими электрическими переходами и тремя (или более)
выводами, предназначенный для усиления сигнала.
Первые транзисторы были точечными, но они
работали недостаточно устойчиво. В настоящее время применяются исключительно
плоскостные транзисторы. Устройство плоскостного биполярного транзистора
показано схематически на рисунке 1.
Рисунок 1 - устройство плоскостного биполярного
транзистора
Транзистор представляет собой пластину германия,
или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с
различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n-p-n,
имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области - с электронной электропроводностью.
Широко применяются также транзисторы типа p-n-p,
в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя
имеет электронную электропроводность. Условное графическое обозначение
транзисторов представлено на рисунке 2.
Рисунок 2 - условное графическое обозначение
транзисторов
Средняя область транзистора называется базой,
одна крайняя область - эмиттером, другая - коллектором. Каждая из областей
снабжается омическим контактом, от которого делается вывод, обозначаемый Э, К,
Б соответственно. Таким образом, в транзисторе имеются два n-p-перехода:
эмиттерный - между эмиттером и базой и коллекторный - между базой и
коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц
микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием
хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда
значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере.
Назначение эмиттера - это инжекция
(впрыскивание) в область базы неосновных для нее носителей заряда, для чего
область эмиттера выполняют более насыщенной основными носителями (более
низкоомной), чем область базы. Назначение коллектора - это экстракция
(втягивание) носителей из базы.
Транзисторы классифицируются по различным
признакам:
- по диапазону рабочих частот - низкой,
средней и большой;
по методу изготовления - сплавные,
диффузионные, планарные и др;
по материалу: германиевые, кремниевые.
Транзистор может работать в трех режимах в
зависимости от напряжения на его переходах:
Активный режим - напряжение на эмиттерном
переходе прямое, а на коллекторном - обратное.
Режим отсечки (запирания) - обратное напряжение
подано на оба перехода.
Режим насыщения - на обоих переходах прямое
напряжение.
Основным является активный режим. Он
используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки и насыщения
характерны для импульсной работы транзистора.
В схемах с транзисторами обычно образуются две
цепи: входная (управляющая) - в нее включают источник усиливаемых сигналов и
выходная (управляемая) - в нее включается нагрузка.
. Принцип работы
Рассмотрим принцип работы транзистора, на
примере n-p-n
транзистора. В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что
его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а
коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).
Рисунок 3 - принцип действия транзистора
В транзисторе типа n-p-n основные
носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход
эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов
рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за
того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая
часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область
коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное
электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает
неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток
коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением
небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб+
Iк).
Коэффициент α, связывающий
ток эмиттера и ток коллектора (Iк= α Iэ),
называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение
коэффициента α = 0,9-0,999. Чем больше
коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало
зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком
диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы,
коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 −
α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы
управляет значительно большим током коллектора.
В зависимости от смещения, созданного на
эмиттерном и коллекторном p-n-переходах,
транзистор может работать в трех режимах. Если один переход смещен в прямом
направлении, а другой - в обратном, режим называют активным (рис. 4, а). Если в
прямом направлении включен эмиттерный переход, а коллекторный - в обратном,
такое включение называют нормальным (рис.4, б). Если смещение на p-n-переходах
противоположное, включение называют инверсным (рис. 4, в). В последнем случае
коллектор выполняет роль эмиттера, а эмиттер - роль коллектора.
Рисунок 4 - режимы работы транзистора (а -
активный, б - нормальный, в - инверсный)
Так как размеры эмиттера меньше размеров
коллектора, то при инверсном режиме включения эмиттер не сможет уловить
значительную часть носителей заряда, инжектированных коллектором в базу, а так
же будет нагреваться. Активный режим используется в усилительных цепях и в
цепях генерирования, где транзистор выполняет функции активного элемента цепи.
Если оба p-n-перехода
смещены в обратном направлении, транзистор работает в режиме отсечки -
отключен. Если оба p-n-перехода
смещены в прямом направлении, транзистор работает в режиме насыщения - включен.
Режимы отсечки и насыщения используют в ключевых режимах работы транзистора.
. Основные параметры
· Входное сопротивление;
· Выходная проводимость;
· Обратный ток коллектор-эмиттер;
· Время включения;
· Предельная частота коэффициента
передачи тока базы;
· Обратный ток коллектора;
· Максимально допустимый ток;
· Граничная частота коэффициента
передачи тока в схеме с общим эмиттером.
Параметры транзистора делятся на собственные
(первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства
транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных
параметров принимают:
· коэффициент усиления по току α;
· сопротивления эмиттера, коллектора и
базы переменному току rэ,rк,rб, которые
представляют собой:
· rэ - сумму сопротивлений
эмиттерной области и эмиттерного перехода;
· rк - сумму сопротивлений
коллекторной области и коллекторного перехода;
· rб- поперечное
сопротивление базы.
Рисунок 5 - эквивалентная схема биполярного
транзистора с использованием h-параметров
Вторичные параметры различны для различных схем
включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для
низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено
несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными
считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».
. Схемы включения
При включении транзистора в цепь один из его
выводов делают общим для входной и выходной цепей. Поэтому цепи включения
бывают: с общей базой (ОБ) (рис.6, а), с общим эмиттером (ОЭ) (рис.6, б) и
общим коллектором (ОК) (рис.6, в).
Работу биполярного транзистора в активном режиме
рассмотрим на примере биполярного диффузионного сплавного транзистора со
структурой p-n-p,
включенного по схеме с ОБ в активном режиме. При этом понимает, что заряды
распределены равномерно, транзистор замене одноименной моделью, толщина базы
незначительная, эмиттер насыщен акцепторной примесью, во много раз превышающей
донорную примесь базы, и площадь эмиттера значительно меньше площади
коллектора.
Рисунок 6 - схемы включения p-n-p
транзисторов и их структуры (а - с общей базой, б - с общим эмиттером, в - с
общим коллектором).
В активном режиме прямое смещение эмиттерного
перехода создается за счет включения источника постоянного напряжения, а
обратное смещение коллекторного перехода - за счет включения источника между
коллектором и базой (рис.7). Напряжение -Uэб
имеет небольшое значение, близкое к высоте потенциального барьера, и составляет
доли вольта. Напротив, напряжение Uкб
на порядок больше напряжения -Uэб
и ограничивается напряжением пробоя коллекторного перехода. При включении
источников питания потенциальный барьер эмиттерного перехода снижается за счет
напряжения -Uэб,
а потенциальный барьер коллекторного перехода повышается за счет напряжения -Uкб.
В результате дырки эмиттера легко преодолевают понизившийся потенциальный
барьер и за счет диффузии инжектируется в базу, а электроны базы - в эмиттер.
Дырки эмиттера диффундируют в базу и движутся в
направлении к коллекторному переходу за счет перепада плотности дырок по длине
базы, большинство из них доходит до коллекторного перехода, но незначительная
часть рекомбинирует с электронами базы. На работу транзистора существенно
влияет движение неосновных носителей через коллекторный переход: дырок базы - в
коллектор и электронов коллектора - в базу. Их количество растет с повышением
температуры, а также зависит от материала полупроводника.
Рисунок 7 - активный режим работы транзистора
транзистор эмиттер коллектор
Список используемой литературы
1. Иванов И.И., Соловьев Г.И., Фролов
В.Я. Электротехника и основы электроники.