Дать определение биполярным транзисторам

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

• Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
• Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
• Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
• Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы I_б. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I _э = I _б + I _к.

Характеристики

• Коэффициент усиления тока β = I_к / I_б.
• Коэффициент усиления напряжения U_эк / U_бэ.
• Сопротивление на входе.
• Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление R_L, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С₁, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки R_L, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С₁, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R₁, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik R k +Vk e .

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Режимы работы

На быстродействие транзистора оказывает влияние величина подключаемого напряжения. Рассмотрим разные режимы работы на примере схемы, в которой биполярные транзисторы подключаются с общим эмиттером.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения V_БЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью V ke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении I_В ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью I k и наиболее крутым графиком.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Транзисторы

Определение и классификация транзисторов. Транзистором называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три и более внешних выводов, предназначенный для усиления или генерации электрических сигналов, а также для коммутации электрических цепей.

В зависимости от назначения и свойств транзисторы классифицируются на ряд групп:

· по мощности рассеяния (допустимое значение мощности, рассеиваемой транзистором без применения дополнительного теплоотвода) различают транзисторы малой, средней и большой мощности;

· по диапазону частот (в зависимости от значения предельно допустимой рабочей частоты) различают низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные транзисторы;

· особую группу транзисторов составляют лавинные, полевые и однопереходные.

Широко распространенные транзисторы с двумя р-n-переходами носят название биполярных. Этот термин связан с наличием в транзисторах двух различных типов носителей зарядов – электронов и дырок. Транзисторы обычно изготовляют из германия или кремния. Конструктивно биполярный транзистор представляет собой пластину монокристалла полупроводника с электропроводностью р- или n-типа, по обеим сторонам которой вплавлены (или внесены другим образом) полупроводники, обладающие другим типом электропроводности. На границе раздела областей с разным типом электропроводности образуются р-n- или n-р-переходы. Транзистор укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметизированный металлический или пластмассовый корпус. Через дно корпуса проходят выводы, соединяющие зоны транзистора с внешней цепью. Возможны две структуры с различным чередованием областей n-р-n или р-n-р.

Схематическое устройство и условное графическое обозначение биполярных транзисторов приведено на рис.3.5, классификация биполярных транзисторов показана в табл.3.2.

У биполярных транзисторов центральный слой называют базой. Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов или дырок), который главным образом и создает ток прибора, называют эмиттером, а наружный слой, принимающий заряды, поступающие от эмиттера, – коллектором.

Классификация биполярных транзисторов

Частотные группы	Группы по мощности
Низкочастотные fгр ≤ 3 МГц	Малой мощности Pmax ≤ 0,3 Вт
Среднечастотные 3 МГц 1,5 Вт
Сверхвысокочастотные fгр ≥ 300 МГц

На эмиттерный переход напряжение подается в прямом направлении, поэтому даже при небольших напряжениях через него проходят значительные токи. На коллекторный переход напряжение подается в обратном направлении, оно обычно в несколько раз выше напряжения эмиттерного перехода.

Принцип работы биполярного транзистора. Рассмотрим работу транзистора типа р-n-р (n-р-n транзистор работает аналогично). Между коллектором и базой транзистора приложено отрицательное напряжение. Пока эмиттерный ток равен нулю (I_Э =0), ток в транзисторе идет только через коллекторный переход в обратном направлении (рис.3.6,а). Величина этого тока определяется концен­трацией неосновных носителей заряда в коллекторе и базе и при хорошем качестве полупроводников мала.

При подаче положительного напряжения на эмиттер возникает определенный эмиттерный ток I_Э (рис.3.6,б). Так как эмиттерный переход находится в прямом включении, дырки проходят в область базы. Там они частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Однако база обычно выполняется из полупроводника n-типа с большим удельным сопротивлением (с малым содержанием донорной примеси), поэтому концентрация свободных электронов в базе низкая и лишь немногие дырки, попавшие в базу, рекомбинируют с ее электронами. Вместо исчезнувших при рекомбинации электронов в базу из внешней цепи приходят новые электроны, образующие базовый ток I_Б. Большинство дырок, являясь неосновными носителями заряда для базовой области, под действием поля коллектора проходят коллекторный переход, образуя коллекторный ток I_К .

Связь между приращениями коллекторного и эмиттерного токов характеризуется коэффициентом передачи тока:

при U_К = const.

Коэффициент передачи тока α всегда меньше единицы.

Дата добавления: 2015-05-06 ; Просмотров: 836 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

В данной теме с помощью учебной литературы и других источников информации следует изучить:

Классификация и система обозначения транзисторов.

Биполярные транзисторы типа p-n-pи n-p-n, устройство и принцип работы транзистора в качестве усилителя тока.

Схемы включения транзистора: с общим эмиттером, с общим коллектором, с общей базой.

Эквивалентные схемы, токи в цепях транзисторов, коэффициенты усиления по току, по напряжению и мощности для различных схем включения. Входные и выходные сопротивления транзистора в зависимости от схемы включения. Статистические характеристики и определение по ним параметров для схем с общим эмиттером.

Динамический режим транзистора.

Температурные и частотные свойства плоскостных транзисторов.

Краткие сведения о технологических методах изготовления транзисторов.

Методические указания.

Понимание принципа действия транзистора очень важно для усвоения последующих тем, поэтому надо с большим вниманием отнестись к этому вопросу.

Биполярный транзистор состоит из двух переходов: эмиттерного и коллекторного. Следует уяснить, что в активном режиме работы прямое напряжение на эмиттерном переходе обеспечивает инжекцию основных носителей из эмиттера в базу, т.е. создает ток через эмиттерный переход, а обратное напряжение на коллекторном переходе обеспечивает экстракцию подошедших к коллекторному переходу неосновных носителей, т.е. создает коллекторный ток.

Нужно разобраться, почему концентрация примеси в базе должна быть намного меньше, чем в эмиттере; почему толщина базы должна быть меньше диффузионной длины инжектированных в нее из эмиттера носителей; чем создается ток базы и от чего зависит его величина. Важно запомнить, что в транзисторе

Iэ = Iк + Iб, а так как ток базы ничтожно мал, то Iэ ≈ Iк

Различают три схемы включения транзисторов в зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепи: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Каждая из названных схем включения характеризуется параметром, который называется коэффициентом передачи (или усиления) по току и равняется отношению приращения тока на выходе к приращению тока на входе. Для схем:

– с общей базой (ОБ): h21Э= ΔIк/ΔIэ при Uкб = const;

– с общим эмиттером (ОЭ): h21Э= ΔIк/ΔIб при Uкб = const;

– с общим коллектором (ОК): h21Э= ΔIк/ΔIб при Uкб = const.

Основными характеристиками транзистора являются входные Iвх= f(Uвх) при Uвых – const и выходные характеристики Iвых= f(Uвых) при Iвх – const.

Необходимо рассмотреть входные и выходные характеристики для схем включения транзистора ОБ и ОЭ. Разобраться, как изменяются характеристики с изменением фиксированного параметра.

Для транзисторов существует несколько различных систем статических параметров и эквивалентных схем, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. На практике наибольшее распространение получила система h-параметров. Надо уметь находить h-параметры по статическим характеристикам транзистора для схемы с общим эмиттером.

Динамическим режимом транзистора называется работа транзистора с нагрузкой в коллекторной цепи. Следует уяснить, как изменится ток и напряжение на коллекторе при изменении тока базы, нужно изучить более подробно метод построения основных динамических характеристик.

Биполярный транзистор широко используется в электронных устройствах в качестве элемента, функцией которого является замыкание и размыкание электрической цепи. При этом транзистор работает либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения. Главной особенностью ключевых режимов является неуправляемость коллекторного тока транзистора. Следует разобраться в режиме отсечки и насыщения, а также в условиях обеспечения этих режимов.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение биполярного транзистора. Объясните принцип действия в активном режиме. Укажите токи транзистора.

2. Изобразите схему включения с ОЭ, входные и выходные токи и напряжения. Коэффициент передачи входного тока. Входные и выходные характеристики транзистора.

3. Изобразите схему включения с ОБ, входные и выходные токи и напряжения. Коэффициент передачи входного тока. Входные и выходные характеристики транзистора.

4. Каково влияние температуры на характеристики и режим работы транзистора? Сравните температурные свойства транзистора в схемах с ОЭ и ОБ.

Полевые транзисторы

В данной теме с помощью учебной литературы и других источников информации следует изучить:

Разновидности полевого транзистора. Принцип действия.

Характеристики, основные параметры. Область применения.

Преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными.

Методические указания

Работа любого полевого транзистора основана на изменении тока через канал за счет его электропроводности при воздействии электрического поля, создаваемого напряжением на затворе, отсюда название транзистора – полевой. Следует разобраться в разновидностях полевых транзисторов: с управляемым p-nпереходом и с изолированным затвором. В транзисторе с управляющим p-n переходом изменение тока канала происходит вследствии изменения (модуляции) эффективного сечения канала. Работа транзистора с управляющим с p-nпереходом возможна только при подаче обратного напряжения на p-n переход. Следовательно, он работает только в режиме сужения (обеднения) канала. Это важно уяснить.

Характеристиками полевого транзистора являются управляющие (стокозатворные) и выходные (стоковые).

При рассмотрении стокозатворных характеристик следует разобраться, каков характер изменения тока стока с изменением напряжения затвора и что такое напряжение отсечки. При рассмотрении стоковых характеристик следует разобраться, каков характер изменения тока стока при изменении напряжения стока, что такое напряжение насыщения; как изменение напряжения затвора влияет на положение входной характеристики; почему с увеличением абсолютной величины напряжения на затворе стоковые характеристики располагаются все ниже.

Основными параметрами полевого транзистора являются крутизна S, внутреннее или выходное сопротивление Ri, коэффициент усиления μ, входное сопротивление Rвх, межэлектродные емкости, максимальная частота fmax. Следует знать их физический смысл, способ определения S и Riв рабочей точке по стоковой характеристике.

Дальнейшим развитием полевых транзисторов с управляющим p-nпереходом являются транзисторы с изолированным затвором. К ним относятся транзисторы с встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом. Нужно уяснить, почему эти транзисторы получили название МДП – транзисторов или МОП – транзисторов. Следует разобраться в устройстве и принципе их работы; понять почему в транзисторе с встроенным каналом стоковые характеристики строятся и при положительных и при отрицательных напряжениях на затворе; выяснить, почему транзистор с индуцированным каналом может работать только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. Необходимо твердо усвоить, в чем заключаются основные достоинства полевых транзисторов по сравнению с биполярными.

Вопросы для самопроверки.

1. Дайте определение полевого транзистора. Объясните принцип действия полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Изобразите схему включения с ОИ. Стоковые и стокозатворные характеристики.

2. Объясните принцип действия полевого транзистора МДП – транзистора с встроенным каналом. Изобразите схему включения с ОИ. Стоковые и стокозатворные характеристики.

3. Объясните принцип действия полевого транзистора МДП – транзистора с индуцированным каналом. Изобразите схему включения с ОИ. Стоковые и стокозатворные характеристики.

4. Статические характеристики полевых транзисторов. Определение, формулы и способы определения их по стоковым характеристикам.

Тема 1.5 Тиристоры

В данной теме с помощью учебной литературы и других источников информации следует изучить:

Классификация и схематическое изображение. Динисторы. Принцип действия, вольтамперная характеристика, основные параметры.

Тринисторы. Устройство, принцип действия, вольтамперная характеристика. Коммутационные процессы в тиристорах. Быстродействующие тиристоры. Симметричные тиристоры (симисторы).

Области применения тиристора динистора, схемы включения.

Методические указания

Динистор – полупроводниковый прибор, имеющий два вывода. Состоит из трех последовательно включенных p-n переходов. Необходимо разобраться в том, что принцип работы прибора основан на изменении тока через средний переход. В конечном счете происходит переход (пробой) среднего перехода из запертого состояния в открытое за счет изменения сопротивления среднего перехода (как и прибора в целом с большого на маленькое). Следует разобраться, почему на среднем участке характеристика динистора обладает отрицательным сопротивлением.

Динистор является неуправляемым прибором, так как напряжение включения Uвклдля данного прибора есть величина постоянная. Если от одной из базовых областей сделать вывод и подать на него прямое напряжение, то такой прибор называется тиристором. Тиристор – управляемый прибор. Следует разобраться, в чем заключается управляющее напряжение базы, а так же каковы способы запирания тиристоров.

Рассмотренные тиристоры являются однооперационными, т.к. у них возможно управление только включением тиристора. Двухоперационные тиристоры представляют собой специфические четырехслойные структуры, которые можно включать и выключать при подаче соответствующих импульсов на один и тот же управляющий электрод.

Симисторы имеют пятислойную структуру типа n-p-n-p-n с четырьмя переходами и представляют собой фактически две четырехслойные структуры, включенные встречно-параллельно. Вольтамперная характеристика симметрична относительно начала координат.

Вопросы для самопроверки

1. Объясните структуру динистора и назначение его электродов.

2. Нарисуйте вольтамперную характеристику динистора и укажите области открытого и запертого состояния на ней.

3. Укажите точки включения и выключения динистора на его характеристике.

4. Какова роль управляемого электрода в тринисторе?