ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
ИЗУЧЕНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРАКраткая теория Структура транзистора Биполярный (БП) транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя p - n переходами и тремя выводами. Слово “биполярный” в названии транзистора означает, что в процессе работы транзистора участвуют как основные, так и неосновные носители. БП транзисторы состоят из трех слоев полупроводника с чередующимися типами проводимости. Существует две разновидности транзисторов: n-p-n и р - п - р типа. Транзисторы n-p-n типа состоят из эмиттперного и коллекторного слоев электронного полупроводника, разделенных тонким базовым слоем дырочного полупроводника. а б Рис. 3.1. Транзистор n-p-n типа: а – структура транзистора; б – схемное обозначение Переход П1 между эмиттерным и базовым слоями называют эмиттерным переходом, переход П2 между базовым и коллекторным слоями называют коллекторным переходом. Эмиттерный слой полупроводника имеет повышенную по сравнению с базовым и коллекторным слоями концентрацию носителей*. Эмиттерный переход в транзисторе п - р - п типа при прямом смещении является инжектором электронов, создающих управляемый ток в транзисторе. Стрелкой на схемном графическом изображении БП транзистора указывается направление тока эмиттера при открытом режиме работы. Транзисторы р - п - р типа состоят из эмиттерного и коллекторного слоев дырочного полупроводника, разделенных тонким базовым слоем электронного полупроводника. а б Рис. 3.2. Транзистор р - п - р типа: а – структура транзистора; б – схемное обозначение Эмиттерный переход в транзисторе p - n - p типа при прямом смещении является инжектором дырок, создающих управляемый ток в транзисторе. Быстродействие транзисторов определяется подвижностью инжектируемых в базу носителей, поэтому в настоящее время транзисторы n - p - n типа более распространены, чем транзисторы p - n - p типа, так как подвижность электронов в германии и кремнии значительно превышает подвижность дырок*. Все дальнейшие рассуждения будут относиться к транзисторам п - р - п типа. Толщина базового слоя зависит от назначения транзистора данного вида и составляет от 1 мкм до 30 мкм в транзисторах разных видов, в любом случае она всегда должна быть значительно меньше диффузионной длины пробега электронов в дырочном полупроводнике (для n - p - n транзисторов). Схемы включения БП транзистора Транзистор, включенный в электрическую схему, можно рассматривать в качестве четырехполюсника, то есть элемента схемы, имеющего два входных и два выходных электрода. Для питания транзистора необходимы источники входного U Вх и выходного U Вых напряжения. Рис. 3.3. Схемы включения транзистора В зависимости от того, какой из электродов транзистора подключен к общему электроду четырехполюсника, различают схемы с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Следует отметить, что физические процессы, происходящие при работе транзистора, определяются напряжениями на переходах транзистора и токами в его электродах и не зависят от схемы включения транзистора. Принципы работы БП транзистора Для работы транзистора в статическом режиме необходимо использовать два источника постоянного напряжения. Рассмотрим транзистор, включенный в статическом режиме работы по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Источник U 1 создает прямое или запорное смещение на эмиттерном переходе. Напряжение источника U 2 (при работе без нагрузки) перераспределяется между переходами П1 и П2. Источник U 2 создает прямое смещение на эмиттерном переходе и запорное смещение на коллекторном переходе, вследствие чего сопротивление коллекторного перехода значительно превышает сопротивление эмиттерного перехода. Поэтому практически все напряжение U 2 падает на коллекторном переходе и слабо влияет на работу эмиттерного перехода. При отрицательном напряжении между базой и эмиттером (источник U 1 подсоединен отрицательным полюсом к базе U 1 ≤ 0) эмиттерный переход П1 закрыт, ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода I Кобр. Такой режим работы транзистора называют режимом отсечки. При положительном напряжении между базой и эмиттером (источник U 1 подсоединен положительным полюсом к базе U 1 > 0) эмиттерный переход П1 открыт, в эмиттере протекает ток I Э. Из-за асимметрии перехода П1 величина электронной компоненты тока в эмиттерном переходе составляет порядка 99 % от тока эмиттера I Э (отношение электронной составляющей тока эмиттера к величине тока эмиттера называют коэффициентом инжекции). Некоторая, весьма небольшая, часть инжектированных в базу электронов рекомбинирует в базе с дырками, убыль которых компенсируется током I б в базовом электроде. Рис. 3.4. Включение транзистора в открытом статическом режиме по схеме ОЭ Инжектированные электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, за счет диффузионного движения попадают в область электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода П2. Откуда электроны, как неосновные носители, перебрасываются полем коллекторного перехода в коллекторный слой транзистора, создавая управляемую часть коллекторного тока, равную a ст I Э (a ст – статический коэффициент передачи эмиттерного тока). Полный ток коллектора складывается из управляемой составляющей a ст I Э и неуправляемого тока обратно смещенного коллекторного перехода I Кобр: I К = a ст I Э + I Кобр. (3.1) Найдем связь между I К и I Б: I Э = I К + I Б => I К = a ст(I К + I Б) + I Кобр. Из полученного соотношения выразим I К: (3.2) Введем обозначение (3.3) откуда I К = b ст I Б + (1 + b ст) I Кобр. (3.4) В открытом режиме работы транзистора I Кобр I Б следовательно I К ≈ b ст I Б. (3.5) Коэффициент b ст называют статическим коэффициентом передачи тока базы в схеме с ОЭ. Входная характеристика транзистора Вид входной характеристики транзистора определяется схемой включения. В схеме с ОЭ входной характеристикой является зависимость тока базы I Б от напряжения U бэ на эмиттерном переходе при фиксированном напряжении U кэ на коллекторном переходе I Б(U БЭ)| U кэ = const. Входная характеристика транзистора имеет сходство с вольт-амперной характеристикой выпрямительного диода, однако крутизна нарастания тока базы уменьшается с ростом коллекторного напряжения. Рис. 3.5. Входная характерист 1 - U кэ = 0; 2 - U кэ > 0 Это происходит благодаря эффекту Эрли: обратное смещение на коллекторном переходе вызывает расширение области отрицательного объемного заряда в базовом слое, вследствие чего происходит уменьшение толщины нейтрального базового слоя. В результате уменьшается количество актов рекомбинации в базе, что в конечном итоге приводит к уменьшению тока базы при тех же значениях напряжения на эмиттерном переходе. Выходная характеристика транзистора В схеме с ОЭ выходной характеристикой является зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном токе базы I К(U КЭ)| I Б = const. При открытом эмиттерном переходе и малых смещениях коллекторного перехода (0 ≤ U КЭ ≤ 1 В) в области коллекторного перехода наблюдается высокая концентрация электронов, благодаря чему сопротивление коллектора имеет наименьшее значение. Этот режим работы транзистора называют режимом насыщения. В режиме насыщения коллекторный ток связан с током базы соотношением (3.5). В активном режиме работы (напряжение на коллекторном переходе U КЭ > 1 В) концентрация электронов в области коллекторного перехода снижается из-за увеличения напряженности поля коллекторного перехода и сопротивление коллектора возрастает. В активном режиме работы сила коллекторного тока слабо увеличивается с ростом U КЭ. Зависимость I К(U КЭ) при I Б = const в активном режиме работы близка к линейной, ее описывают соотношением I К = b ст I Б + (1 + b ст) I Кобр (3.6) где r К - дифференциальное сопротивление коллектора: (3.7) Рис. 3.6. Выходная характе 1 - режим насыщения; 2 - активный режим; 3 - режим отсечки; 4 - область пробоя Приближенно можно полагать, что выходные характеристики транзистора для схемы с ОЭ в активном режиме расположены на отрезках прямых, веерообразно расходящихся из одной точки на оси напряжений. Напряжение U Э, равное по модулю отрезку по оси напряжений от 0 до точки U Э, называют напряжением Эрли. При работе транзистора на коллекторе выделяется тепловая мощность Р К =I К U КЭ. Во избежание перегрева транзистора необходимо, чтобы мощность, выделяемая на коллекторе, была меньше максимально допустимой мощности транзистора I К U КЭ ≤ Р К max (3.8) График зависимости I К max = Р К max / U КЭ показан на рис. 3.6 пунктиром; пунктирная линия отделяет область активного режима (2) от области теплового пробоя (4). Для увеличения Р К max у мощных транзисторов увеличивают теплоотвод от коллектора, закрепляя транзисторы на специальных радиаторах – толстых зачерненных металлических пластинах. Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:
|