Физические параметры биполярных транзисторов

Содержание

В радиолюбительской практике часто приходится подбирать транзисторы для их замены на аналогичные или выбирать нужные транзисторы при конструировании какого нибудь изделия по желаемым параметрам.
Поэтому без справочников по транзисторам никак не обойтись. В них приведены основные параметры транзисторов как по постоянному, так и переменному току. Но не все знают, что они обозначают. Попробуем разобраться с этим.

Биполярные транзисторы

Зная название транзистора уже можно получить нужную информацию о нем.
Транзисторам присваивается обозначение из четырех элементов.
Первый элемент – буква или цифра, указывающий исходный материал из чего сделан транзистор ( Г или 1 – германий, К или 2 – кремний, А или 3 – соединения галия.
Второй элемент – буква определяющая подкласс прибора ( Т – транзистор, П – полевой).
Третий элемент – цифры, первая обозначает номер классификации у биполярных транзисторов – граничную частоту передачи тока, а у полевых транзисторов – максимальную рабочую частоту. Последующие две цифры обозначают порядковый номер разработки.
Вот расшифровка первой цифры,
транзисторы:
малой мощности (мощность рассеяния до 0,3 Вт);
1 – низкой частоты (до 3 МГц)
2 – средней частоты (от 3 до 30 МГц)
3 – высокой частоты (свыше 30 МГц)
средней мощности (мощность рассеяния от 0,3 Вт до 1,5 Вт)
4 – низкой частоты (до 3 МГц)
5 – средней частоты (от 3 до 30 МГц)
6 – высокой частоты (свыше 30 МГц)
большой мощности (мощность рассеяния свыше 1,5 Вт)
7 – низкой частоты (до 3 МГц)
8 – средней частоты (от 3 до 30 МГц)
9 – высокой частоты (свыше 30 МГц).
Четвертый элемент – буква, указывающая разновидность из данной группы приборов.
К примеру ГТ328А – германиевый транзистор, малой мощности, высокочастотный, номер разработки 28, разновидность А.

Обратный коллекторный ток

Параметры транзистора по постоянному току характеризуют токи транзистора при включении перехода в обратном направлении.

Обратный ток коллектора Iкбо – это ток, возникающий в коллекторном переходе включенном в обратном направлении со свободным эмиттером ( рис.1 ).
Индекс кбо обозначает ток между коллектором и базой при не включенном (открытом) эмиттере.

Обратный ток эмиттера Iэбо – это ток при обратном заданном напряжении на переходе эмиттер – база с отключенным коллектором ( рис.2 ).

Рассмотрим подробней обратный ток коллектора Iкбо , т.к. он является главным дестабилизирующим параметром транзистора.
Коллекторный обратный ток очень мал. В маломощных транзисторах при комнатной температуре Iкбо равен всего несколько десятков микроампер, а в кремневых – менее 1мкА. Так почему данные этих незначительных величин приводятся в справочниках параметров транзисторов?
Дело в том, что во время работы любой транзистор греется, а значить при этом будет повышается и температура p-n и n-p переходов между коллектором и базой. А полупроводники не только обогащены примесями с основными носителями зарядов электронами или дырками. В них присутствует еще достаточное количество и нейтральных атомов.
Поэтому при нагреве полупроводников происходит, так называемая, термогенерация – уход в нейтральных атомах полупроводника электронов с орбиты в валентную зону или зону проводимости. Но при этом в валентной зоне образуются и дырки (атомы потерявшие электроны), которые так же, наряду с электронами, будут в зоне проводимости.
Все это приводит к тому, что в цепи коллектор – база проходит диффузионный неуправляемый ток коллекторного p-n перехода в обратном направлении.
При повышении температуры транзистора обратный ток коллектора быстро растет по экспоненциальному закону. В германиевых (Ge) транзисторах обратный ток удваивается на каждые 10? С , а в транзисторах из кремния (Si) – в 2,5 раза.

Возьмем, например, германиевый ГТ108 и кремниевый КТ3102 маломощные транзисторы и рассчитаем значения возрастания обратного коллекторного тока Iкбо от повышения температуры t?C транзисторов ( рис.3 ), и по этим данным построим график ( рис.4) .
По ним видно, что при увеличении температуры от 20?C до 70?C обратный ток увеличивается в десятки раз. Поэтому обратный коллекторный ток еще называют тепловым током.
Отсюда можно сделать вывод: кремниевые транзисторы, имея меньшее Iкбо , более температурно стабильнее, чем германиевые.

Но еще большая "проблема" состоит в том, что в различных усилительных схемах часть обратного коллекторного тока проходит через управляющий эмиттерный переход транзистора и это приводит к сильному увеличению прямого коллекторного тока, а значить – к увеличению температуры транзистора.

Низкочастотные параметры транзистора

h – параметры

Для анализа работы транзистора в усилительном режиме используется метод четырехполюсника, который позволяет производить расчет усилителя с помощью только матриц без составления эквивалентной схемы транзистора.
Существуют три системы параметров транзистора: z, h и y .
Для расчета низкочастотных схем применяются z- и h-параметры, а для высокочастотных – y-параметры.
И хотя система h-параметров характеризует работу транзистора под воздействием только малого сигнала, она получила широкое распространение, благодаря тому, что при измерении этих параметров требуется воспроизвести легко выполнимые действия: холостой ход на входе ( I1=0 ) или короткое замыкание на выходе ( U2=0 ). А связь между h- параметрами c остальными параметрами можно узнать в Википедии .

Но вернемся к четырехполюснику.
На низких частотах при работе с малым сигналом транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник, у которого есть входной и выходной контакты, а так же один общий провод с двумя контактами ( рис.5 ). А к общему проводу транзистор может подключаться по разному. От того, какой из выводов транзистора подключен к этому проводу, различают включение с общей базой ( ОБ ), общим эмиттером ( ОЭ ) и общим коллектором ( ОК ).
На клеммы четырехполюсника 1-1 подается переменное входное напряжение U1 , которое создает ток I1 а с клемм 2-2 снимаются выходные U2 и I2 .

Для лучшего понимания происходящего в четырехполюснике транзистора покажем его эквивалентную схему ( рис.6 ).
Тогда уравнения четырехполюсника с h-параметрами выглядят так:

h-параметры представляют собой определенные физические величины и зависят от схемы включения транзистора. Чтобы определить к какой схеме включения относятся параметры используют второй индекс: э,б или к . Например, h11э – входное сопротивление в схеме с ОЭ , а h21б – коэффициент обратной связи по напряжению в схеме с ОБ .

Рассмотрим, для примера, эквивалентную схему транзистора с ОЭ применяя h-параметры ( рис.7 ):
при коротком замыкании выходной сети (U2=0) :
h11э=Uбэ/Iб – входное сопротивление транзистора,
h21э=Iк/Iб – коэффициент передачи тока;
при разомкнутом по переменному току входе (I1=0) :
h12э=Uбэ/Uкэ – коэффициент обратной связи по напряжению,
h22э=Iк/Uкэ – выходная проводимость.

У современных транзисторов коэффициент обратной связи h12 почти равен нулю и позтому его можно не указывать на эквивалентной схеме.

Для разных схем включения транзистора h-параметры определяются по формулам:

h11э ? h11б/1+h21б;
h12э ? (h11б•h22б/1+h21б) – h12б;
h21э ? -h21б/1+h21б;
h22э ? h22б/1+h21б;

h11б?h11э/(1+h21э);
h12б?h11э•h22э/(1+h21э);
h21б?-h21э/(1+h21э);
h22б?h22э/(1+h21э);

h11к?h11э;
h12к?1;
h21к?-(1+h21э);
h22к?h22э.

Обычно в справочнике в разделе параметров транзистора указываются h-параметры при включении транзистора с ОБ: h11б – входное сопротивление, h12б – коэффициент обратной связи, h22б – выходная полная проводимость; и с ОЭ: h21э – коэффициент передачи тока.
Эти параметры транзистора статические, т.е. они измерены при постоянных параметрах напряжения коллектора Uк и тока коллектора Iк. Если будут изменяться эти значения – будут меняться и h-параметры транзистора. Но можно, благодаря этим приведеным h- параметрам, определить параметры с любым способом включения транзистора и приблизительно узнать, какие будут характеристики транзистора в динамическом режиме.

Читайте также:  Станок для шлифовки станин токарных станков

Например, возьмем старенький легендарный низкочастотный, маломощный транзистор МП41, и рассчитаем его входное и выходное сопротивления при включении с ОЭ по справочным данным:
h11б = 25 Ом,
h22б = 3,3 мкСм,
h21э = 30. 60.

Выходное сопротивление R вых. обратно пропорционально проводимости h22э:

В справочниках в параметрах транзисторов так же могут указаны коэффициенты усиления ? и ? .
? – это коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ и показывающий во сколько раз коллекторный ток больше базового:
?=h21э?Iк/Iб .
? – коэффициент усиления по току в схеме с ОБ и показывающий во сколько раз коллекторный ток больше эмиттерного:
?=h21э?Iк/Iэ .

Коэффициенты ? и ? транзистора связаны между собой соотношением:
?=?/1-?.
При помощи номограммы ( рис.8 ) можно быстро перевести один коэффициент в другой:

Высокочастотные параметры транзистора

Емкость коллекторного перехода

В справочниках по транзисторам приводится параметр емкости коллекторного перехода Ск – емкость между выводами базы и коллектора при заданном обратном напряжении эмиттер – база и разомкнутой эмиттерной цепи.

Сам по себе транзистор представляет собой кристалл с двумя p-n или n-p переходами.
В следствии диффузии основных и неосновных зарядов в переходах образуются обедненные слоя с заряженными границами переходов (см. раздел "p-n переход", рис.a,b,c.), которые представляют собой своеобразные конденсаторы и называются барьерными емкостями.
При подаче напряжения разной полярности на переходы они будет расширяться или сужаться, меняя при этом свою емкость.

Рассмотрим эквивалентную схему транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером ( рис.9 ), где сопротивления rб, rэ и rк представляют собой дифференциальные сопротивления базового, эмиттерного и коллекторного переходов соответственно.
Сопротивление rб может составлять десятки-сотни Ом, rэ – от долей до десятков Ом, а rк – от десятков килоОм до нескольких мегОм.
На схеме показаны барьерные емкости эмиттерного перехода Сэ и коллекторного – Ск , которые включены параллельно сопротивлениям rэ и rк .
Величина емкости Ск может составлять от 2-5 пф до 50-200 пф, а емкость Сэ больше Ск в 5-10 раз.

Эту эквивалентную схему можно использовать как модель для анализа происходящих процессов в транзисторе при подаче на него малого переменного напряжения, к примеру, с генератора.

В режиме малого переменного сигнала низкой частоты влияние небольших емкостей переходов будет минимальным, т.к. их реактивное сопротивление ( Xc=1/2?fC ), будет большИм, и мало влияет на rэ и rк .
В области верхних частот с ростом частоты сопротивления барьерных емкостей уменьшаются, что приводит к шунтировании сопротивлений переходов.
Хотя емкость Сэ и имеет бOльшую величину чем Ск , ее емкостное сопротивление не на много влияет на сопротивление rэ , т.к. шунтирует малое значение сопротивления (десятки Ом).

По другому происходит с коллекторным сопротивлением rк .
При увеличении частоты сигнала до десятков килогерц сопротивление коллекторной емкости Ск падает ниже сопротивления коллекторного перехода rк и шунтирует его. Если на выходе схемы подключить сопротивление нагрузки Rн , то влиянием емкости Ск уже нельзя пренебречь.
Цепочка rэСэ и rкСк будет включена параллельно резистору нагрузки Rн шунтируя его, что приведет в определенный момент к уменьшению усиления транзистора.

Из этого можно сделать вывод: транзисторы для работы в усилительном режиме нужно выбирать как можно с меньшей емкостью коллекторного перехода, особенно на высоких частотах.

Предельная и граничная частоты коэффициента передачи тока.

Предельная и граничная частоты коэффициента передачи по току приводятся в справочных данных как существенные параметры транзистора.
Мы уже выяснили, что при увеличении частоты входного сигнала транзистора коэффициент усиления по току с определенного момента начнет уменьшаться из-за увеличения емкости коллекторного перехода. Но это только одна из причин падения усиления транзистора от частоты, хотя и немаловажная.

С увеличением частоты сигнала проявляются инерционные свойства транзистора.
Происходит отставание по фазе переменного тока коллектора от тока эмиттера. Это вызвано конечным значением времени перемещения носителей заряда от эмиттерного перехода к коллекторному через базу. И хотя время "пролета" составляет меньше 0,1 мкс, но при частотах в несколько мегагерц и выше это приводит к сдвигу фаз коллекторного и эмиттерного токов, что увеличивает ток базы и уменьшает коэффициент усиления.
Так же к инерционным свойствам относится время на перезарядку емкостей коллекторного и эмиттерного переходов.
Все эти паразитные явления приводят к уменьшению коэффициента усиления по току.

Предельная частота fпр коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ – частоты, при которой модуль коэффициента усиления по току h21эо уменьшается в v2 раза (или на 3 дб). ( рис.10 ).
Граничная частота fгр коэффициента усиления по току в схеме с ОЭ – частота, при которой модуль коэффициента усиления h21э=1 и транзистор не работает как усилитель.

Коэффициент шума

Величина коэффициента шума является самым основным параметром транзистора, работающем в предварительном усилителе с малыми входными сигналами.
Коэффициент шума Кш – это отношение полной мощности шумов на выходе транзистора к мощности тепловых шумов сопротивления источника сигнала на входе:

Из этого определения следует, что для идеального "нешумящего" транзистора Кш будет равен единице, т.к. шумы будут обусловлены только сопротивлением источника сигнала:

Из рис.11,12 можно сделать вывод, что коэффициент шума зависит от режима транзистора ( Iэ ) и температуры окружающей среды ( Т?С ), а так же от выходного сопротивления источника сигнала ( Rг ) и частоты сигнала.

Чтобы получить как можно меньший уровень шумов транзистора в усилительном режиме необходимо определить наивыгоднейшие значения по току эмиттера и напряжению на коллекторе при оптимальном значении сопротивления источника сигнала.
Этого можно добиться если выбирать Iэ=0,1. 0,5 мА, Uк=0,5. 2,5 В и как можно уже полосу рабочих частот.

3. Биполярные транзисторы

3.1. Общие сведения. Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода, пригодный для усиления мощности электрических сигналов. В работе биполярных транзисторов используются носители обеих полярностей (дырки и электроны), что и отражено в их названии.

Рис. 3.1. Схематическое и условное графические изображения биполярных транзисторов n-p-n-типа (а) и p-n-p-типа (б)

По порядку чередования p-n переходов транзисторы бывают: n-p-n и p-n-p типов (рис.3.1).

Область транзистора, расположенная между p-n переходами, называют базой. Одна из примыкающих к базе областей должна наиболее эффективно осуществлять инжекцию носителей в базу, а другая – экстрагировать носители из базы.

Область транзистора, из которой происходит инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а переход эмиттерным.

Область транзистора, осуществляющая экстракцию носителей из базы, называют коллектором, а переход коллекторным.

По применяемому материалу транзисторы классифицируются на германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые.

По технологии изготовления транзисторы бывают: сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные. Толщина базы делается значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней. При равномерном распределении примеси в базе внутреннее электрическое поле в ней отсутствует, и неосновные носители движутся вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми. При неравномерном распределении примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле, и неосновные носители движутся в ней в результате дрейфа и диффузии. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

Кроме того, концентрация атомов примесей в эмиттере и коллекторе (низкоомные области) значительно больше, чем в базе (высокоомная область).

Площадь коллекторного перехода больше эмиттерного, что способствует увеличению коэффициента переноса носителей из эмиттера в коллектор.

По мощности, рассеиваемой коллекторным переходом, транзисторы бывают:

малой мощности (Р 1,5 Вт).

По частотному диапазону транзисторы делятся на:

низкочастотные (fпр 300 МГц).

Читайте также:  Как проверить целостность кабеля с помощью мультиметра

Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.

Первый элемент — буква или цифра, указывающая исходный материал: Г(1) — германий, К(2) — кремний, А(3) — арсенид галлия.

Второй элемент — буква, указывающая на тип транзистора: Т — биполярный, П — полевой.

Третий элемент — цифра, указывающая на частотные и мощностные свойства прибора (табл.3.1).

Таблица 3.1 Классификация транзисторов по мощности и частоте

Четвертый, пятый (шестой) элементы — цифры, указывающие порядковый номер разработки.

Шестой (седьмой) элемент — буква, указывающая на разновидность транзистора из данной группы. Примеры обозначения транзисторов: КТ315А; КТ806Б; ГТ108А; КТ3126.

3.2. Схемы включения и режимы работы биполярного транзистора. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения. Потенциал общего электрода принимается за нулевой (земля). Отсчет напряжений на остальных электродах производится относительно точки нулевого потенциала. На рис. 3.2, а показана схема включения транзистора с общей базой (ОБ), на рис. 3.2, б — схема с общим эмиттером (ОЭ), на рис. 3.2, в — схема с общим коллектором (ОК).

Рис. 3.2. Схемы включения биполярных транзисторов: с общей базой (а); с общим эмиттером (б); с общим коллектором

В зависимости от полярности внешних напряжений, подаваемых на электроды транзистора, различают следующие режимы его работы.

Активный режим — эмиттерный переход смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный — в обратном направлении (закрыт).

можно построить, используя семейство выходных характеристик.

Характеристики обратной связи. Семейство статических характеристик обратной связи транзистора, характеризующее зависимость Uэб=f(Uкб), при Iэ=const, представлено на рис.3.8.

Характеристика обратной связи имеет отрицательный наклон, что связано с уменьшением ширины базы и тока рекомбинации, а также с ростом градиента концентрации носителей тока эмиттера при увеличении абсолютного значения напряжения Uкб. Так как

Рис. 3.8. Семейство статических характеристика снимается при постоянном токе

характеристик обратной связи в эмиттера, то необходимо уменьшать инжекцию

схеме с ОБ носителей из эмиттера в базу посредством

снижения Uэб. Характеристики обратной связи можно построить, используя семейство входных характеристик.

Статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ. На рис.3.9 представлена схема включения транзистора в схеме с ОЭ. Семейство входных характеристик Uбэ=f(Iб), при Uкэ=const представлено на рис.3. 10.

Рис. 3.9. Включение транзистора Рис. 3.10. Семейство статических входных

в схеме с общим эмиттером характеристик в схеме с ОЭ

При отсутствии внешнего напряжения Uкэ=0 входная характеристика представляет собой вольтамперную характеристику двух параллельно включенных p-n переходов. Это соответствует режиму насыщения транзистора.

При увеличении напряжения Uкэ коллекторный переход включается в обратном направлении и транзистор переходит в активный режим работы. Увеличение Uбэ приводит к росту рекомбинации носителей в базе, и при некотором напряжении Uбэ ток базы становится равным нулю (Iб=0), а характеристика смещается в сторону оси напряжений.

Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером представлены на рис.3.11 и выражают зависимость Iк=f(Uкэ) при Iб=const. В схемах с ОЭ и ОК управляющим является входной ток — ток базы Iб.

При токе базы, равном нулю, в коллекторной цепи протекает обратный ток, величина которого равна Iкэо, и выходная характеристика представляет собой характеристику обратно-смещенного перехода. Транзистор работает в режиме отсечки в области, расположенной ниже данной характеристики.

При наличии входного тока базы и небольшого напряжения |Uкэ| |Uбэ|, транзистор из режима насыщения переходит в активный режим. Рост коллекторного тока замедляется, характеристика идет более полого. Небольшой рост Iк на пологом участке обусловлен:

1) уменьшением ширины и тока базы Iб (уменьшается рекомбинация носителей в базе) при увеличении Uкэ. Для поддержания постоянного

Рис. 3.11. Семейство значения тока базы необходимо увеличивать Uбэ,

статических выходных что приводит к росту токов эмиттера и коллектора;

характеристик в схеме с ОЭ 2) увеличением напряжения на коллекторном

переходе, что приводит к росту ударной ионизации в нем и возрастанию тока коллектора. При больших значениях Uкэ возможен электрический пробой p-n перехода.

Характеристики прямой передачи представлены на рис.3.12, выражают зависимость Iк=f(Iб) при Uкб=const.

Отклонение их от прямой линии определяется нелинейностью изменения коэффициента передачи тока базы h21б от режима работы транзистора. При напряжении на коллекторе, отличном от нуля, характеристики прямой передачи сдвинуты по оси ординат на величину Iкэо.

Эти характеристики можно построить из семейства выходных характеристик.

Рис. 3.12. Семейство статических Рис. 3.13. Семейство статических

характеристик прямой передачи с ОЭ характеристик обратной связи в схеме с ОЭ

Характеристики обратной связи представлены на рис.3.13 и выражают зависимость Uэб=f(Uкэ), при Iб=const.

При небольших напряжениях Uкэ характеристики имеют восходящий участок, соответствующий режиму насыщения транзистора. Пологий участок характеристик обратной связи соответствует активному режиму работы транзистора. Эти характеристики получаются простым графическим перестроением семейства входных характеристик.

3.4. Основные параметры биполярных транзисторов. Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

по току ; (3.1)

по напряжению ; (3.2)

по мощности ; (3.3)

входное сопротивление

выходное сопротивление

Чтобы определить входные и выходные токи и напряжения при различных схемах включения транзистора, изобразим рисунок 3.14.

Используя приведенные выше выражения и схемы, изображенные на рисунке 3.14, получаем формулы для расчета параметров транзисторов при различных схемах включения.

Рис. 3.14. Схема включения транзистора с ОБ (а), ОЭ (б), с ОК (в)

; (3.4)

где α≈1, т.е. схема с ОБ не усиливает ток.

(3.5)

где – сопротивление открытого эмиттерного перехода, составляющее, как уже отмечалось, десятки Ом;

(3.6)

(3.7)

где >>1, так как >>.

, (3.8)

Из полученных выражений видно, что схема с ОБ характеризуется малым входом сопротивлением, отсутствием усиления по току, большим усилением по напряжению и мощности.

(3.9)

где β≈100, т.е. схема с ОЭ значительно увеличивает ток.

(3.10)

(3.11)

(3.12)

т. к. >>, схема дает значительное увеличение напряжения.

(3.13)

Таким образом, схема с ОЭ имеет большее, чем схема с ОБ, входное сопротивление, и усиливает сигнал по току, напряжению и мощности.

(3.14)

т.е. схема с ОК имеет

(3.15)

(3.16)

т.е.

Таким образом, схема с ОК (схема эмиттерного повторителя) имеет значительно большее значение входного сопротивления, чем любая другая схема включения транзистора, и усиливает сигнал по току и мощности. Большое значение входного сопротивления схемы с ОК предопределяет широкое применение на практике эмиттерного повторителя в качестве согласующего устройства.

Полученные значения параметров транзистора для различных схем его включения представлены в табл. 3.2. Анализ данных свидетельствует об универсальности схемы с ОЭ (см. рис. 3.14 б), обеспечивающей усиление транзистора как по току, так и по напряжению. Этим объясняется широкое применение указанной схемы включения транзистора в нелинейных цепях. Высокие значения β обуславливают также усилительное свойство транзистора по току, заключающееся в возможности малыми входными токами (током Iб) управлять существенно большими токами (током Iк≈βIб) в выходной (нагрузочной) цепи.

Таблица 3.2 Параметры транзистора для различных схем его включения

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.
Читайте также:  Технические характеристики станка 16к20 таблица

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 Iб. 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 = Iк / Iб.
  • Коэффициент усиления напряжения Uэк / Uбэ.
  • 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 RL, 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 RL, 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 VБЭ 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 IВ 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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector