Транзисторы биполярные. Основные характеристики и схемы соединений. Характеристики транзисторов
Характеристики транзистора- основные параметры
Характеристики транзистора – диаграмма, которая отображает взаимоотношения между электрическим током и напряжением транзистора в конкретной конфигурации. Учитывая, что схемы конфигураций транзисторов аналогичны по отношению к двухпортовым схемам, они могут быть проанализированы с использованием кривых для характеристик, которые могут быть следующих типов:
1. Характеристики входа: они описывают изменения в токе на входе с изменением значений напряжения на входе, удерживающим напряжение на выходе постоянным.
2. Характеристики выхода: это диаграмма, отображающая противостояние тока на выходе и напряжения на выходе при неизменном токе на входе.
3. Характеристики передачи тока: это кривая характеристик, показывающая изменение тока на выходе в соответствии с током на входе, при этом напряжение на выходе постоянное.
Транзистор, который включен по схеме с общей базой
При такой конфигурации базовый вывод транзистора будет общим между выводами входа и выхода, как показано на рисунке 1. Данная конфигурация демонстрирует низкое полное сопротивление на входе, высокое полное сопротивление на выходе, высокий коэффициент усиления сопротивления и высокий коэффициент усиления напряжения.
Рисунок 1 Схема с общей базой
Характеристики входа
Рисунок 2 показывает характеристики входа схемы вышеописанной конфигурации, которые описывают изменение тока на эмиттере, IE с напряжением на базе-эмиттере, VBE удерживает напряжение на коллекторе-базе, VCB постоянно.
Выражение для сопротивления на входе выглядит следующим образом:
Характеристики выхода
Характеристики выхода для такой конфигурации (Рисунок 3) демонстрируют изменение тока на коллекторе, IC с VCB, где ток на эмиттере, IE является удерживаемой постоянной. Из показанного графика следует, что сопротивление на выходе может быть получено как:
Рисунок 3 Характеристики выхода
Характеристики передачи тока
Рисунок 4 демонстрирует характеристики передачи тока для вышеназванной конфигурации, которые объясняют изменение IC с IE, удерживающим VCB постоянным. Получившийся коэффициент усиления тока имеет значение меньше единицы и может быть математически выражен следующим образом:
Рисунок 4 Характеристики передачи тока
Транзистор, который включен по схеме с общим коллектором
Эта конфигурация транзистора имеет общий вывод коллектора между выводами входа и выхода (Рисунок 5) и также имеет отношение к конфигурации эмиттера. Это обеспечивает высокое полное сопротивление на входе, низкое полное сопротивление на выходе, коэффициент усиления напряжения меньше единицы и значительный коэффициент усиления тока.
Рисунок 5 Схема с общим коллектором
Характеристики входа
Рисунок 6 демонстрирует характеристики входа для этой конфигурации, которые описывают изменение в IB в соответствии с VCB, для обеспечения постоянного значения напряжения на коллекторе-эмиттере, VCE.
Рисунок 6 Характеристики входа
Характеристики выхода
Рисунок 7 показывает характеристики выхода для данной конфигурации, которые демонстрируют изменения в IE против изменений в VCE для постоянных значений IB.
Рисунок 7 Характеристики выхода
Характеристики передачи тока
Эти характеристики данной конфигурации (Рисунок 8) показывают изменение IE с IB, удерживающим VCE постоянным.
Транзистор, который включен по схеме с общим эмиттером
В данной конфигурации вывод эмиттера является общим между выводами входа и выхода, как показано на рисунке 9. Эта конфигурация обеспечивает среднее полное сопротивление на входе, среднее полное сопротивление на выходе, средний коэффициент усиления тока и коэффициент усиления напряжения.
Рисунок 9 Схема с общим эмиттером
Характеристики входа
Рисунок 10 показывает характеристики входа для данной конфигурации, которая объясняет изменение в IB в соответствии с VBE, где VCE является постоянной.
Рисунок 10 Характеристики входа
Исходя из рисунка, сопротивление на входе может быть представлено как:
Характеристики выхода
Характеристики выхода у такой конфигурации (Рисунок 11) также рассматриваются как характеристики коллектора. Этот график показывает изменение в IC с изменениями в VCE, когда IB удерживается постоянной. Исходя из графика, можно получить сопротивление на выходе следующим образом:
Рисунок 11 Характеристики выхода
Характеристики передачи тока
Эти характеристики данной конфигурации показывают изменение IC с IB, удерживающим VCE в качестве постоянной. Это может быть математически выражено как:
Это соотношение рассматривается как коэффициент усиления тока с общим эмиттером, и оно всегда больше единицы.
Рисунок 12 Характеристики передачи тока
Наконец, важно отметить, что несмотря на то, что кривые характеристик были объяснены касательно биполярных плоскостных транзисторов, аналогичный анализ является подходящим даже по отношению к полевым транзисторам.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
elektronchic.ru
Схемы включения транзистора и их характеристики: схемы, ВАХ. формулы, подключение
Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики.
Схема с общей базой.
Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с общей базой, так как база является общим электродом для источников напряжения. Изобразим ее с использованием условного графического обозначения транзистора (рис. 1.56).
Транзисторы традиционно характеризуют их так называемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока iэ от напряжения и 6э при заданном напряжении uбэ, т. е. зависимость вида iэ= f (uбэ) |uкэ= const, где f — некоторая функция.
Входной характеристикой называют и график соответствующей зависимости (это справедливо и для других характеристик).
Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока iк от напряжения uкб при заданном токе iэ, т. е. зависимость вида iк = f (uкб) |iэ= const, где f — некоторая функция.
Входные характеристики для схемы с общей базой.
Каждая входная характеристика в значительной степени определяется характеристикой эмиттерного перехода и поэтому аналогична характеристике диода. Изобразим входные характеристики кремниевого транзистора КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора — 300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор-база — 30
B при t < 70° С) (рис. 1.57) . Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uкб объясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта модуляции толщины базы).
Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения uкб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n-переход). Если концентрация атомов примеси в базе меньше концентрации атомов примеси в коллекторе, то расширение коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопротивления приводит к тому, что при неизменном токе iэ напряжение uбэ уменьшается. Как было отмечено при рассмотрении диода, при малом по модулю обратном напряжении на p-n-переходе это напряжение влияет на ширину перехода больше, чем при большом напряжении. Поэтому различные входные характеристики, соответствующие различным напряжениям uкб, независимо от типа транзистора практически сливаются, если uкб > 5 В (или даже если uкб> 2 В).
Входные характеристики часто характеризуют дифференциальным сопротивлением rдиф, определяемым аналогично дифференциальному сопротивлению диода.
rдиф= (duбэ/diэ) |iэ– заданный, uкб=const
Выходные характеристики для схемы с общей базой.
Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.58).
Как уже отмечалось, если коллекторный переход смещен в обратном направлении (uкб> 0), то ток коллектора примерно равен току эмиттера: iк ~ iэ
Это соотношение сохраняется даже при uкб= 0 (если ток эмиттера достаточно велик), так как и в этом случае большинство электронов, инжектированных в базу, захватывается электрическим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.
Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении ( uкб< 0), ток коллектора становится равным нулю, так как при этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу (или дырок из базы в коллектор). Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор тех электронов, которые были инжектированы эмиттером. ток коллектора становится равным нулю при выполнении условия uкб< 0,75 В.
Режим, соответствующий первому квадранту характеристик (uкб> 0, iк > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.
Режим, соответствующий второму квадранту (uкб< 0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.
Обратный ток коллектора iкомал (для КТ603Аiко < 10 мкА при t < 25°С). Поэтому выходная характеристика, соответствующая равенствам iэ= 0ik- αст ·iэ+iко=iко,практически сливается с осью напряжений.
При увеличении температуры ток iко возрастает (для КТ603 i ко ~ 100 мкА при t < 85° С) и все выходные характеристики несколько смещаются вверх.
Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током i ко, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вблизи оси напряжений называют областью отсечки.
В активном режиме напряжение u кби мощность Pк= iк ·uкб, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не перегрелся, должно выполняться неравенство Рк < Рк макс где Рк макс — максимально допустимая мощность (для КТ603А Рк мак c= 500 мВт при t < 50° С).
График зависимости iк = Рк макс / uкб (гипербола) изображен на выходных характеристиках пунктиром.
Таким образом, в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, в режиме отсечки коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный или смещен в обратном направлении, или находится под очень малым прямым напряжением.
Транзистор часто характеризуют так называемым дифференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока α, который определяется выражением α= dik / di э| ik–заданный, uкб= const.
Для приращения тока коллектора ∆iк и приращения тока эмиттера ∆iэ можно записать: ∆iк ≈ α · ∆iэ
Коэффициент α несколько изменяется при изменении режима работы транзистора. Важно учитывать, что у различных (вполне годных) экземпляров транзистора одного и того же типа коэффициента может заметно отличаться. Для транзистора КТ603А при t = 25° С α = 0,909 … 0,988.
Наличие наклона выходных характеристик, отражающее факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера при увеличении напряжения uкб, объясняется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектированных эмиттером, переходит в коллектор.
Наклон выходных характеристик численно определяют так называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода (с учетом эффекта Эрли): rк=duкб/diэ|uкб– аданный, iэ=constiк=αст· iэ+ iко+ 1/rк· uкб
Схема с общим эмиттером
Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующими схеме, представленной на рис. 1.59. Эту схему называют схемой с общий эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.
Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока iб от напряжения uбэ при заданном напряжении uкэ , т. е. зависимость вида iб= f (uбэ) |u кэ = const , где f — некоторая функция.
Выходной характеристикой называют зависимость тока iк от напряжения uкэ при заданном токе iб, т. е. зависимость вида i к = f (u кэ ) |i б = const,где f — некоторая функция.
Очень важно уяснить следующих два факта.
Характеристики для схемы с общим эмиттером не отражают никакие новые физические эффекты по сравнению с характеристиками для схемы с общей базой и не несут никакой принципиально новой информации о свойствах транзистора. Для объяснения особенностей характеристик с общим эмиттером не нужна никакая информация кроме той, что необходима для объяснения особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не менее характеристики для схемы с общим эмиттером очень широко используют на практике (и приводят в справочниках), так как ими удобно пользоваться.
При расчетах на компьютерах моделирующие программы вообще никак не учитывают то, по какой схеме включен транзистор. Программы используют математические модели транзисторов, являющиеся едиными для всевозможных схем включения. Тем не менее, очень полезно уметь определить тип схемы включения транзистора. Это облегчает понимание принципа работы схемы.
Входные характеристики для схемы с общим эмиттером.
Изобразим характеристики уже рассмотренного транзистора КТ603А (рис. 1.60).
Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения uкэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением rдиф= (duбэ/diб) |iб– заданный , uкэ= const
Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером.
Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.61).
Обратимся к ранее полученному выражению iк=αст·iэ+iко В соответствии с первым законом Кирхгофа iэ=iк+iб и с учетом предыдущего выражения получим iкαст· (iк+iб) +iко откуда iк=αст/ (1 -αст) ·iб+ 1 / (1 -αст) ·iко
Введем обозначение: βст ≡ αст / (1- αст )
Коэффициент αст называют статическим коэффициентом передачи базового тока. Его величина обычно составляет десятки — сотни (это безразмерный коэффициент).
Легко заметить, что 1 / (1 -αст) = βст + 1 Введем обозначение i′ко ≡ (βст + 1) ·iко В итоге получаемiк= βст ·iб+i′ко Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.
Для учета наклона выражение записывают в виде iк= βст ·iб+i′ко +uкб· ( 1 /r′к ),гдеr′к =duкэ/diк|uкэ – заданное, iб=const
В первом приближении r′к = ( 1 / 1 + βcт) · rк (сопротивление rк определено выше). Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока β.
Для приращения тока коллектора ∆iк и тока базы ∆iб можно записать:
∆iк ≈ β · ∆ iб
По определению β=diк/diб|iк – заданный, uкэ=const
Для транзистора КТ603А при t = 25°С β = 10…80.
Величина β зависит от режима работы транзистора. Приведем типичный график зависимости β от тока эмиттера (он практически равен току коллектора) для uкб= 2 В (рис. 1.62).
Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного выше условия Pк< Рк макс, должны выполняться условия iк<iк максиuкэ≤u кэ макс где iк макси u кэ макс — соответственно максимально допустимый постоянный ток коллектора и максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.
Для рассмотренного выше транзистора КТ603А iк макс= 300 мА,uкэ макс = 30 В (при t < 70° С).
Изобразим схематически на выходных характеристиках для схемы с общим эмиттером так называемую область безопасной работы, в которой указанные условия выполняются (рис. 1.63).
Обычно допустимо предполагать (с той или иной погрешностью), что выходные характеристики для схемы с общим эмиттером расположены на отрезках прямых, расходящихся веерообразно из одной точки на оси напряжений (рис. 1.64).
Напряжение Uэ (это положительная величина) называют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А Uэ ~ 40 В.
Инверсное включение транзистора.
Иногда транзистор работает в таком режиме, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер — роль коллектора. Это так называемый инверсный режим. Ему соответствует так называемый инверсный коэффициент передачи базового тока βi. Из-за отмеченных выше несимметрии структуры транзистора и различия в концентрациях примесей в слоях полупроводника обычно βi << β. Часто βi >>1.
Изобразим выходные характеристики для схемы с общим эмиттером и для прямого, и для инверсного включения (рис. 1.65).
pue8.ru
Биполярные транзисторы. Характеристики и схемы соединений
Открытие полупроводников позволило создать не только диоды и тиристоры, но и тоже не менее популярные усилительные устройства – транзисторы. Они активно применяются в электронике и схемотехнике, а также современный прогресс позволил применять их и в силовой электронике. Более подробно мы рассмотрим биполярные транзисторы в этой статье.
Содержание:
Структура и принцип работы транзистора
В отличии от тиристоров и диодов, транзистор имеет двух переходную структуру. Она может быть двух видов – p-n-p проводимость, в которой по средине расположен полупроводник с электронной проводимостью, а по бокам с дырочной. Схема ниже:
Или же n-p-n:
Каждый из этих переходов имеет особенности обычных диодов. Если к левому переходу приложить напряжение в прямом направлении (положительный потенциал к р-полупроводнику, а негативный к n-полупроводнику), то в левом переходе появится прямой ток. Основные носители начнут переходить с левого полупроводника в средний, где они станут уже не основными. Если же к правому переходу приложить напряжение обратной полярности, то основные носители не будут создавать ток. При этом будет существовать только ток, который создается неосновными носителями. Но если в средней зоне появится значительное количество неосновных носителей за счет диффузии через левый переход, то и в правом переходе ток возрастет. Таким образом можно регулировать ток правого перехода, изменением его в левом переходе. Средний полупроводник зовут базой (на схеме Б), тот, к которому напряжение приложено в прямом направлении – эмиттером (на схеме Е), а в обратном – коллектором (К). На рисунках выше показаны обозначение транзисторов на принципиальных схемах. Вывод эмиттера показан стрелкой. Поскольку в работе транзистора принимают участия носители обеих знаков – его называют биполярным.
Основные носители эмиттера, что проникают в базу, создают ток коллектора Iк, но некоторая их часть (примерно 1-2%) отправляется в базу. Все три тока подчиняются первому закону Кирхгофа IE =Iб+Iк. если такое выражение справедливо для токов, то оно будет справедливо и для его приращений ∆IE =∆Iб+∆Iк.
Схемы соединения транзисторов
Существует три схемы соединения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и коллектором соответственно. Рассмотрим детальней каждую из них.
Общая база
Схема будет выглядеть так:
В данном случае входным током будет IЕ, а выходным IК. Коэффициентом усиления называют зависимость приращения тока коллектора от тока эмиттера и он имеет вид h31б= ∆Iк/∆IE. Поскольку ∆IE =∆Iб+∆Iк, то h31б<1. Обычно h31б= 0,98÷0,99, поскольку Iб составляет 1-2% от IE.
Вольт-амперная характеристика транзистора при отсутствии тока эмиттера представляет собой обратную характеристику диода (между коллектором и базой напряжение обратной полярности). Если создать ток между эмиттером и базой, возрастет ток (будем обозначать далее как I) коллектора. При различных значениях IЕ будут различные значения вольт-амперных характеристик транзистора, которые создают, так называемое семейство характеристик транзистора, которые приведены ниже:
Зависимость I от приложенного между ним и базой напряжения (входная характеристика транзистора) представляет собой ничто иное как прямую ветку характеристику диода. Также на I эмиттера оказывает влияние и напряжение между коллектором и базой и чем оно выше, тем сильнее характеристика смещается влево, как показано на рисунке ниже:
Но данное смещение наблюдается только в промежутке от 0 до 10 В, при увеличении напряжений характеристики смещаться не будут. Поскольку большинство транзисторов работают при UК>10 В, то входную характеристику считают независимой от входного напряжения.
Схема с общим эмиттером
Такая схема включения дает реальное усиление выходного тока I. Схема ниже:
Коэффициент усиления это как и раньше отношение выходного I к входному, но теперь входным будет IБ, так что получим:
Если учесть что h31б= 0,98÷0,99; имеем h31Е= 50÷98, что значительно выше единицы. Это главное преимущество этой схемы.
Вольтамперные характеристики схемы с общим эмиттером ОЭ напоминают те, что соответствуют схеме с общей базой ОБ, но расположены в первом квадранте и показаны ниже:
Здесь имеем два p-n перехода с потенциальным барьером, электрические поля в которых направлены встречно и взаимно компенсируются, поэтому при UК=0, коллекторный I не возникает. Характеристики будут смещаться относительно IБ, который в данном случае будет входным.
Входная характеристика практически такая же, как и для схемы с ОБ, так как соответствует одному и тому же переходу, но из-за того, что полярность входного напряжения относительно коллекторного в этой схеме противоположная, характеристика при росте UК смещается вправо и показана ниже:
И здесь она при UК>10 В от дальнейшего возрастания UК не зависит.
Для расчета и анализа усилителей необходимо использовать эквивалентную схему транзистора. Ее можно создать исходя из эквивалентной схемы диода. Поскольку транзистор являет собой два диода, совмещенных в одном корпусе, то эмиттерный переход будет находится под прямым напряжением. Чтоб учесть смещение входной характеристики в зависимости от входного напряжения коллектора, источник Е выразим как h22БUК, пропорциональным UK. Сопротивление эмиттерного перехода обозначим как h21Б. схема будет иметь следующий вид:
Схема с общим коллектором
Эта схема практически ничем не отличается от эмиттерной и ее эквивалентная схема может быть такой же. Но тому, что выходные (вольтамперные) характеристики практически горизонтальные, их пересечения с горизонтальной осью найти практически невозможно. Как известно из курса электротехники последовательное включение резистора с источником напряжения можно заменить на параллельное соединение резистора с источником тока, величина которого найдется как ордината точки пересечения характеристики с осью токов. Поскольку выходная характеристика будет смещаться относительно IЕ, учтем это путем введения источника тока h31БIЕ, пропорционально входному IЕ. Наклон выходной характеристики определит нам проводимость коллекторного перехода, которая имеет обозначение h32Б. Построенная таким образом схема будет полностью соответствовать эквивалентной схеме транзистора:
Буква Б в данном случае указывает на то, что данная схема соответствует соединению с общей базой ОБ.
Применив к левой части второй закон Кирхгофа, а к правой первый, получим:
Оба эти уравнения создают так называемую систему гибридных параметров, чем и обосновывается буква h. Если выписать все коэффициенты уравнений (параметры) в таблицу (определитель), то первый цифровой индекс будет указывать на номер строки, а второй на номер столбца. При этом двое из этих параметров – коэффициент усиления тока h31Б и коэффициент обратной связи по напряжению h31Б размерности не имеют. Входное сопротивление h21Б, измеряется в омах, а выходная проводимость h32Б в сименсах.
Также для схемы с ОЭ существует такая же система параметров и подобная эквивалентная схема:
Различие между схемами состоит в том, что вместо буквы Б использована буква Е. Уравнения для этой системы будут иметь вид:
На практике считается что h22Б= h22Э=0, поскольку при UК>10 В смена коллекторного напряжения на выходную характеристику не влияет. Между параметрами различных схем соединений существуют следующие зависимости:
Мощность транзисторов
Все изготовляемые транзисторы разделяют на три основных группы по мощности, которая может быть выделена на коллекторе и равна произведению тока на напряжение, что приложено к коллектору:
Транзисторы малой мощности, их мощность лежит в пределах 0<PK<0,3 Вт;
Транзисторы средней мощности – их пределы 0,3 Вт< PK< 1,5 Вт;
Мощные транзисторы РК больше 1,5 В.
Мощность ограничивается граничной температурой, при превышении которой может произойти тепловой пробой.
Конструктивные особенности биполярных транзисторов
На самом деле конструктивное оформление биполярных транзисторов довольно разнообразно. Давайте рассмотрим конструкцию этих элементов на примере транзистора, показанного ниже:
На массивном металлическом основании 4 размещают кристалл полупроводника 1, который имеет, к примеру, электронную проводимость. На противоположной стороне кристалла относительно грани сделаны две напайки 2 и 3 например с индию, под которым будут создаваться зоны с дырочной проводимостью. Один из этих элементов будет коллектором, а второй эмиттером – сам кристалл базой. Для всех элементов реализованы выводы, а вся конструкция накрыта корпусом во избежание механических повреждений и попадания влажности. Металлическая основа 4 отводит тепло от устройства. В более мощных устройствах могут применять радиаторы, для более высокой теплоотдачи.
elenergi.ru
Биполярный транзистор. Основные параметры - Практическая электроника
Для дальнейшего продвижения в изучении биполярника, нам надо разобрать его основные параметры, которые приводятся в справочниках на транзисторы. Не зная этих параметров, можно накосячить при конструировании своих радиоэлектронных безделушек. Погнали!
1) Из первой ст атьи про биполярный транзистор, мы помним, что его производят из двух веществ — это германий и кремний. Следовательно, по материалу, из которых их производят, все биполярники делятся на кремниевые и германиевые. Почему же идет такая классификация? Как вы помните из предыдущих статей, для того, чтобы транзистор «открылся» на германиевый транзистор надо подать 0,2-0,3 Вольта, а на кремниевый 0,6-0,7 Вольт. Кремниевый транзистор выдерживает температуру эксплуатации до 150 градусов по Цельсию, тогда как германиевый только до 70 градусов. Обратный коллекторный ток у кремниевого транзистора намного меньше, чем у германиевого, что кстати, тоже немаловажный параметр.
2) Проводимость NPN или PNP. С этим, думаю, уже все понятно
3) Коэффициент усиления по току в схеме с Общим Эмиттером (ОЭ)
4) Обратный коллекторный ток IКБО(ICBO)
Откуда вообще берутся эти обозначения индексов? Снизу синим маркером я пометил эти индексы:
Оказывается, все до боли просто.
Первая буква индекса — первый вывод транзистора, вторая буква — второй вывод транзистора, ну а третья буква обозначает оставшийся вывод и его условие, при котором производится этот замер. Самая распространенная третья буква — это «О». Но скорее всего это даже и не буква, а цифра «ноль». Она говорит о том, что на третьем выводе напряжение равняется нулю. Это достигается тем, что оставшийся третий вывод никуда не подключен и висит в воздухе.
Например, IКБО говорит нам о том, что это ток (сила тока), между коллектором и базой, при условии, что напряжение на эмиттере равняется нулю. То есть эмиттер отключен.
Есть также более интересные условия, но они встречаются редко. Например, буква «К» от слова «короткий» (в англ.варианте «Shot»). Такой параметр как UКЭК говорит нам о том, что это напряжение между коллектором и эмиттером, при условии, что база и эмиттер замкнуты накоротко, или детским языком, база с эмиттером соединены проводочком. Здесь последняя буква говорит нам об оставшемся выводе и условии, которое происходит между этим выводом и буковкой-выводом которая рядом.
Также иногда встречается буква «R», которая обозначает, как ни странно, сопротивление. Например UКЭR говорит о том, что это напряжение между коллектором и эмиттером при условии что база и эмиттер соединены сопротивлением. И рядышком в справочнике приводится номинал этого сопротивления.
Также часто встречается вместо третьей буквы индекса обозначение «нас» или на буржуйский манер «sat». «Нас» — кратко от «насыщение», то же самое и «»sat» — saturation в переводе на русский — насыщение. Например, UКЭ нас (VCEsat) — это напряжение насыщения коллектор-эмиттер.
И еще один нюанс… порядок индексов совпадает с положительным направлением тока. Что это значит? Например, UКЭ напряжение между коллектором и эмиттером. Значит ток движется от коллектора к эмиттеру. Но если мы поменяем индексы вот так UЭК у нас это будет уже обозначать, что электрический ток движется от эмиттера к коллектору. Справедливы также следующие выражения:
UКЭ= — UЭК и так далее.
5) Максимальное допустимое обратное напряжение между коллектором и базой UКБ макс (VCBO) — это максимальное обратное напряжение, которое может выдержать коллекторный P-N переход при открытом эмиттере (эмиттер ни с чем не связан и его ножка болтается в воздухе, короче говоря, на эмиттере ноль)
Для NPN транзистора это будет выглядеть так:
Для NPN транзистора этот параметр показан с плюсом. Оно и понятно, индексы идут как «КБ», что означает коллектор «плюсовый» а база «минусовая».
Вот, например, этот параметр для транзистора BC337 структуры NPN:
Как вы видите, параметр VCBO показан с плюсом.
Чтобы не мудрить с индексами, для PNP транзистора ставят просто тупо минус перед циферками в даташите, которое говорит нам о том, что напряжение подаем в обратной полярности. В некоторых даташитах знак «минус» не указан, но все равно имейте ввиду, что это обратное напряжение на P-N переходе.
Например как в этом даташите на транзистор S8550 PNP структуры. Видите перед цифрой «30» знак минус? Если бы мы поменяли индексы, то получили бы, что VBCO =30 Вольт. Знак «минус» тогда бы исчез, но в то же время у нас индексы поменялись (я их даже выделил жирным шрифтом).
То есть тут мы видим, что это напряжение тоже обратное.
6) Максимальное допустимое напряжение между эмиттером и базой UЭБ макс (VЕВО) — это напряжение, которое может выдержать эмиттерный P-N переход, если приложить напряжение в обратном направлении, при условии, что коллектор у нас никуда не цепляется. Похожий параметр, но только уже для эмиттерного перехода.
Для NPN транзистора это выглядит вот так и напряжение в даташите указывается с плюсом:
А для PNP как-то так:
Для PNP этот параметр также идет с минусом, чтобы не переставлять индексы:
7) Максимальное допустимое напряжение между коллектором и эмиттером UКЭ макс (UКЭО). Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером по направлению стрелочки эмиттера , при условии что база никуда не цепляется. Для PNP транзистора этот параметр также идет с минусом.
8) Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе PK макс (PC max). Это максимальная мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающее пространство.
Например, для транзистора S8550 это значение равняется 1 Ватту.
Чтобы его не превысить, нужно рассчитать какую мощность будет рассеивать ваш транзистор по формуле:
P=UK x IK
где
P — это мощность, которая рассеивается на транзисторе
UK — напряжение на коллекторе относительно минуса
IK — ток коллектора
Рассеивание мощности транзистором означает, что на нем будет выделяться тепло, которое рассеивается в окружающее пространство. Поэтому, чтобы отвести это тепло от транзистора, применяют радиаторы:
Особенно это касается мощных транзисторов, через которые текут большие токи и напряжения. Как я уже говорил, для кремниевых транзисторов критическая температура нагрева это 150 градусов по Цельсию, для германиевых 70. Так что следите за температурой, если не хотите получить в результате уголек с дымом. Иными словами если Р превысит PК макс, то вашему транзистору придет жопа.
9) Максимально допустимый коллекторный ток IK макс (Ic max). Превышение этого номинала приводит к пробою переходов, выгоранию тонких токоведущих проводов, которые соединяют ножку транзистора с кристаллом полупроводника. Ну и чем больше ток, тем разумеется и больше мощность, выделяемая транзистором, значит будет больше нагрев.
10) Граничная частота передачи тока fгр . Это частота, на которой коэффициент β (коэффициент усиления по току) становится равным единице. Так что отсюда вывод, что не каждый транзистор будет усиливать высокочастотные колебания. Поэтому в радиоприемной и радиопередающей аппаратуре используются транзисторы с высокой граничной частотой.
Различных других параметров транзистора туева куча. Здесь же я привел те параметры, на которые следует обращать внимание при проектировании своих электронных безделушек. Некоторые параметры в одной книге обозначают так, в другой эдак, в третьей совсем по-другому. Не могу сказать, что мои названия и обозначение параметров образцовые, но все-таки старался обозначить как в большинстве учебной литературы, чтобы было понятно каждому начинающему электронщику.
Характеристики транзисторов напрямую обуславливаются двумя схемами включения, которые широко распространены на данный момент. Наиболее приемлемыми считаются статистические характеристики входные и выходные, схема включения которых будет выглядеть либо с общей базой, либо с общим эмиттером.
Когда включается транзистор, интерес радиоэлектроников с точки зрения практики заключается в графической зависимости токовых показателей и напряжения на входе в цепи и на выходе из нее. На входе характеристики транзисторов обуславливаются вольт – амперными показателями, а на выходе – коллекторными или выходными вольт – амперными характеристиками.
Вольт-Амперные характеристики транзисторов
Как правило, с практической точки зрения схема включения самого транзистора с общим эмиттером считается более распространенной. Поэтому, в нашей статье разговор пойдет именно об этом способе подключения. Входные характеристики транзисторов статистические для схем подключения с общим эмиттером будет характеризовать график, который отображает зависимость тока на выходе базы Iб от база – эмиттерного напряжения Uбэ входных цепей при постоянных значениях показателя напряжения Uкэ на выходе цепи.
В общем, формула расчетов будет выглядеть следующим образом:
Iб=f(Uбэ), Uкэ=const.
Коллекторные характеристики, или, как их еще называют, выходные в транзисторе показывают прямую зависимость коллекторного тока от напряжения коллектора – эмиттера в цепи входной при постоянных показателях тока базы на входе в цепь.
Формула будет выглядеть следующим образом:
Ik=f(Uбэ) при Iб=const
Если показатель будет равен нулю, тогда характеристики входные транзисторов в графическом исполнении будут выглядеть в виде прямой ветви, которая характеризуется вольт – амперной характеристикой p–n перехода эмиттерного.
При увеличении токовый показатель базы будет пропорционально уменьшаться. Фактически данная закономерность заключается в том аспекте, что будет расти напряжение при значительном увеличении , которое склонно прилагаться к p–n переходу коллекторному в обратной последовательности. Из –за таких комбинаций возможно наблюдение рекомбинационных вероятностей зарядных носителей в самой базе, потому что огромное количество способны довольно быстро втягиваться в коллектор.
Характеристика показателей транзистора на выходе будет обеспечиваться напрямую величинами напряжения , которое будет прикладываться к переходу коллекторному П2. В схемах с общими эмиттерами данное напряжение будет определяться показателями разницы напряжений транзистора на выходе и на входе в цепи. Формула при этом будет выглядеть таким образом:
Мощность рассеивания транзистора
Это та мощность которую транзистор отдает в виде теплоты в процессе работы. В основном нагрев происходет в коллекторе транзитсора. Именно коллектор зачастую соединен с корпусом с целью лучшей теплоотдачи.
Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером
Это то напряжение при котом происходит пробой перехода, транзистор в этом случае выходит из строя. Данный параметр приводится в паспортных характеристиках.
Маркировка транзисторов
Как и многие полупроводниковые приборы сам транзистор обязательно должен иметь свои маркировки, которые заключаются в различных буквенных и цифровых комбинациях. При обозначении первейшей характеристикой будут непосредственно буквы, которые показывают тот факт, из чего изготовлен транзистор. Такими обозначениями, как правило, являются буквы Г, К и А. Соответственно транзистор был изготовлен из германия, кремния или арсенида галлия. Вторым элементом в маркировке будет указываться тип самого прибора.
Транзисторы по своей специфике делятся на Т – биполярные и П – полевые. Далее следует элемент обозначения, который указывает на номер разработки транзистора. Последняя же буква в транзисторе будет обозначать группу изделия, то есть отличие и различные особенности транзисторов такого типа. Давайте рассмотрим на примере маркировку транзистора КТ 315 Г. Характеристика исходя из маркировки будет следующей: транзистор будет кремниевым, разработка 315, группа Г.
< Назад
Вперёд >
Добавить комментарий
www.radio-magic.ru
2.5. Биполярные транзисторы.
13
Транзисторы – активные компоненты, широко используемые в электронных устройствах. Рассмотрим устройство и принцип действия кремниевого биполярного транзистора n-p-nтипа. При его изготовлении обеспечивается последовательное соединение трёх областей примесного полупроводника, как это показано на рис.2.21а. Леваяn-областьполупроводника называется эмиттерной (она эмиттирует электроны), праваяn-областьназывается коллекторной (она собирает электроны), а средняя область называется базовой (она является общей для эмиттерной и коллекторных областей полупроводника). Соответственно выводы из этих областей называются эмиттером, коллектором и базой транзистора.
Рис.2.21.Структура биполярного транзистора n-p-nтипа а), его упрощённая эквивалентная схема для большого сигнала б), условное обозначение в электрических схемах в).
Как видно из рис.2.21а, биполярный транзистор представляет собой соединение двух p-nпереходов, левый из которых называется эмиттерным, а правый – коллекторным. При воздействии на транзистор больших по величине сигналовр-nпереходы транзистора при расчётах могут быть заменены двумя встречно включёнными диодами. Упрощенная эквивалентная схема в этом случае представлена на рис.2.21б, а на рис.2.21в представлено изображение биполярного транзистора в электрических схемах. Приведённая на рис.2.21б упрощённая эквивалентная схема транзистора, состоящая из двух диодов, отнюдь не означает, что транзистор можно изготовить, соединив встречно два диода. Такая структура из двух диодов не будет обладать свойством активного прибора. Изобретение американским учёным Шокли и его коллегами в 1948 году биполярного транзистора (это изобретение по многим опросам уверено входит в пятёрку самых выдающихся изобретений ХХ века) состояло в том, что дваp-nперехода удалось соединить в один прибор при выполнении одновременно двух условий:
1.Проводимость эмиттерной области была существенно больше проводимости базовой области, т.е. концентрация электронов в эмиттерной зоне была много больше концентрации дырок в базовой зоне.
2.Толщина базовой области, т.е. расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами транзисторов было достаточно малым (в современных биполярных транзисторах оно порядка 1 мкм).
Совпадение двух названных условий позволило создать биполярный транзистор – активный прибор, обеспечивающий получение на выходе электрического сигнала большего по мощности, чем входной.
Убедимся в этом. Для того, чтобы транзистор мог усиливать электрический сигнал, т.е. работать в активном режиме, эмиттерный переход транзистора нужно сместить в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Это можно сделать, в частности, при включении транзистора по схеме с общей базой (рис.2.22). При этом источник ЕЭ смешает
14
эмиттерный переход в прямом направлении, а источник ЕК смещает коллекторный переход в обратном направлении. Эти два источника включены последовательно, причём их средняя точка присоединена к общей шине питания, к которой и присоединена база транзистора. Именно поэтому такое включение транзистора называется схемой с общей базой.
Рис.2.22. Включение транзистора по схеме с общей базой.
При смещении эмиттерного перехода в прямом направлении через него пойдёт эмиттерный ток IЭ. Этот ток будет состоять из потока электронов из эмиттерной области в базовую In и потока дырок из базовой области в эмиттерную Ip: IЭ=In+Ip. Поскольку проводимость эмиттерного перехода много больше проводимости слоя базы, можно пренебречь током дырок Ip и считать, что IЭ In.
Большая часть электронов, попадающая в тонкую базовую область транзистора, при своём движении может оказаться в зоне коллекторного перехода, в котором положительное напряжение источника ЕК заставит их пройтир-nпереход. Возникнет коллекторный ток IК (заметим, что если не будет эмиттерного тока, то коллекторного тока также не будет, т.к. коллекторныйр-nпереход закрыт с помощью источника ЕК). Меньшая часть электронов, попадающих в базу, не дойдёт до коллектора, т.к. электроны могут рекомбинировать с дырками базовой области (происходит взаимное уничтожение электронов и дырок).
По первому закону Кирхгофа эмиттерный ток будет равен сумме коллекторного и базового токов:
где IБ – это ток дырок, которые будут рекомбинировать в базе с электронами. Следовательно, в образовании токов в транзисторе используются заряды обоих знаков, как отрицательные - электроны, так и положительные - дырки. По этой причине транзистор называется биполярным.
Положим, что IК=αIЭ, где α – коэффициент передачи эмиттерного тока из цепи эмиттера в цепь коллектора, причём α‹1. Тогда из (13) следует, что IК/α=IК+IБ и IК=IКα/(1- α)=βIБ, гдеβ=α/(1-α)- коэффициент усиления базового тока, т.к. при α›0,5, β›1.
Таким образом, если транзистор включить так, чтобы входным током был бы ток базы, коллекторный (выходной) ток получится в β раз больше (у современных транзисторов – элементов микросхем β≈100). Одной из схем, в которой входным током является ток базы, может быть схема включения транзистора с общим эмиттером (рис.2.23). Её отличие от схемы с общей базой состоит в том, что источник коллекторного напряжения присоединяется к коллектору и эмиттеру, причём эмиттер подключается к общей шине питания источников ЕБ и ЕК.
15
Рис.2.23.Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.
В современной электронике используют и другой тип биполярных транзисторов: p- n-p.В этом случае эмиттерная и коллекторная области представляют собой примесные полупроводникир-типа,а базовая область полупроводникn-типа.На рисунках изображение транзистораp-n-pтипа отличается от изображения транзистораn-p-nтипа направлением стрелки в эмиттерном выводе (рис.2.24).
Рис.2.24.Изображение транзистора p-n-pтипа.
Для того, чтобы p-n-pтранзистор усиливал сигналы, полярности приложенных к переходу напряжений должны быть по сравнению с транзисторомn-p-nтипа изменены на противоположные.
2.6. Характеристики и параметры биполярных транзисторов.
Основные свойства транзисторов можно определить по входным и выходным характеристикам. Эти характеристики зависят от способа включения транзистора. При включении транзистора по схеме с общей базой входными характеристиками транзистора будут зависимости тока эмиттера от приложенного к эмиттерному переходу напряжения при различных запирающих напряжениях на коллекторном переходе (рис.2.25).
Рис.2.25.Входные характеристики транзистора в схеме с общей базой.
Следует заметить, что экспериментально получить характеристику IЭ=f(UЭ) чрезвычайно сложно, т.к. очень малые изменения напряжения на эмиттере приводят к очень большим изменениям тока. На практике гораздо проще снять зависимость напряжения на эмиттере от тока, задаваемого в эмиттер, а затем построить нужную нам зависимость. Для этого в цепь эмиттера, т.е. последовательно с источником напряжения и эмиттерным переходом включают резистор (рис.2.26). При этом одним и тем же
16
вольтметром измеряют напряжение U1 и U2. Очевидно, что
IЭ=
U1 −U2
, а напряжение
RЭ
U2 является напряжением на эмиттере UЭ. Изменяя ЕЭ, можно получить характеристику IЭ=f(UЭ). Изменяя ЕК, можно построить семейство входных характеристик схемы с общей базой.
Рис.2.26.Схема измерения зависимости IЭ=f(UЭ) транзистора, включённого с общей базой.
Приведённые характеристики близки к характеристикам открытого p-nперехода, причём при возрастании запирающего напряжения на коллекторе характеристики сдвигаются влево и вверх. Это обусловлено эффектом модуляции толщины базы, т.к. при увеличении запирающего напряжения на коллекторном переходе зонаp-nперехода расширяется и уменьшает толщину базы. Это приводит к увеличению эмиттерного и коллекторного токов транзистора.
Выходными характеристиками транзистора в схеме с общей базой являются IК=f(UК) при разных IЭ (рис.2.27). С ростом эмиттерного тока характеристика IК=f(UК) смещается вверх. Небольшой наклон характеристик при больших запирающих напряжениях на коллекторном переходе обусловлен достаточно большим сопротивлением коллекторного перехода (порядка единиц – десятков Мом).
Рис.2.27. Выходные характеристики транзистора в схеме с общей базой.
При измерениях IК=f(UК) также как и при экспериментальном определении входных характеристик в цепь коллектора включают резистор (рис.2.28). При этом
I К = U1 −U 2 , а UК=U2. Изменяя ЕК и Е2 можно снять семейство выходных характеристик
RК
транзистора при различных токах IЭ.
17
Рис.2.28. Схема измерения зависимости IК=f(UК) транзистора, включённого с общей базой.
Входными характеристиками биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером являются зависимости IБ=f(UБ), при различных напряжениях на коллекторе.
Как и в схеме с общей базой входные характеристики экспериментально определяются по схеме с дополнительно включённым в цепь базы резистором (рис.2.29).
При этом IБ =U1 −U2 , а напряжение U2 является напряжением на базе UБ. Изменяя ЕБ,
RБ
можно получить характеристику IБ=f(UБ), а при различных ЕК и всё семейство входных характеристик в схеме с общим эмиттером.
Рис.2.29. Схема измерения зависимости IБ=f(UБ) транзистора, включённого с общим эмиттером.
Следует отметить, что напряжение, приложенное к коллектору, действует сразу на два перехода: эмиттерный и коллекторный. Причём при увеличении коллекторного напряжения не только возрастает запирающее напряжение на коллекторе, но и несколько увеличивается напряжение на открытом эмиттерном p-nпереходе. По этой причине, при увеличении напряжения на коллекторе при одинаковом задаваемом в базу токе напряжение на базе несколько увеличится. Следовательно, при увеличении UК характеристики IБ=f(UБ) сдвигаются вправо, т.к. при одном и том же токе, задаваемом в базу транзистора, напряжение на базе при увеличении UК несколько увеличится (рис.2.30).
Рис.2.30. Входные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером.
Из-затого, что в схеме с общим эмиттером напряжение на коллекторе по сравнению со схемой с общей базой одновременно действует на оба перехода транзистора выходные характеристики IК=f(UК) при разных IБ будут сдвинуты вправо и будут иметь больший наклон (см. рис.2.31). Измерение выходных характеристик производится также как в схеме с общей базой включением в цепь коллектора дополнительного резистора.
18
Рис.2.31. Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером.
Из входных и выходных характеристик транзистора можно определить его параметры. Большинство параметров транзистора определяется при малых сигналах, т.е. при таких уровнях воздействующих на транзистор напряжений и токов, при которых участки нелинейных характеристик транзистора можно считать линейным. Очевидно, что при существенно нелинейных характеристиках транзистора параметры для малого сигнала будут в значительной степени зависеть от того, какие токи текут через транзистор и какие напряжения приложены к его переходам. При этом достаточно указать эмиттерный ток и напряжение на коллекторном переходе. Обычно в справочнике параметры транзистора приводятся при так называемом номинальном режиме, который обычно определяется номинальным током эмиттера IЭ и номинальным напряжением на коллекторном переходе UКБ. Для транзисторов средней мощности номинальному режиму обычно соответствует IЭ=1мА и UКБ=5В. Именно при таком токе и напряжении параметры транзистора близки к оптимальным.
В разделе (2.6) были введены два параметра транзистора α - коэффициент передачи эмиттерного тока в схеме с общей базой и β – коэффициент усиления базового тока в схеме с общим эмиттером. Эти параметры являются интегральными, т.к. связывают не приращения токов IБ, IЭ и IК, а их полные величины. При работе транзистора в режиме малых сигналов используются дифференциальные параметры, которые в значительной степени будут зависеть от того, какой эмиттерный ток мы задаём в эмиттер и какое напряжение приложено к коллекторному переходу. Чтобы избежать этой неопределённости будем определять эти параметры таким образом:
α =
dI K
при UКБ=const и заданном токе IЭ,
dIЭ
β =
dI K
при UКБ=const и заданном токе IБ.
dI Б
Оказывается, что и α и β будут зависеть от токов IЭ и IБ и в меньшей мере от UКБ , причём при номинальном режиме эти параметры близки к максимальному значению. При этом, как при уменьшении, так и при увеличении токов эмиттера и базы α и β уменьшаются.
При включении транзистора по схеме с общей базой транзистор можно охарактеризовать следующими параметрами:
r
=
dU БЭ
при UКБ=const и заданном токе IЭ,
Э
dIЭ
r
=
dU K
при IБ =const и заданном напряжении UКБ.
К
dI К
19
Первый параметр называется сопротивлением эмиттерного перехода и он будет пропорционален котангенсу угла между осью абсцисс и касательной, проведённой к входной характеристике транзистора при заданных IЭ и UКБ. Это сопротивление можно
вычислить по простой формуле rЭ = ϕТ . При φТ=25мВ и IЭ=1мА получаем rЭ=25ом.
IЭ
Второй параметр называется сопротивлением коллекторного перехода. Он будет пропорционален котангенсу угла между осью абсцисс и касательной, поведённой к выходной характеристике транзистора при заданных IЭ и UКБ. Поскольку наклон выходных характеристик транзистора в схеме с общей базой к оси абсцисс достаточно мал сопротивление rК обычно больше, чем 1Мом и ими при расчётах можно пренебречь.
Кроме того, ещё используют параметр rБ – сопротивление области базы, обычно учитывающее не только омическое сопротивление слоя базы, но и небольшое влияние напряжения на коллекторе на входные характеристики транзистора. Для современных транзисторов можно считать, что rБ лежит в пределах от 100 до 250 ом.
Введённые параметры позволяют заменить транзистор в режиме малых сигналов линейной Т-образнойэквивалентной схемой (рис.2.32). В этой схеме учтена ёмкость коллекторного перехода, которая оказывает влияние на работу транзистора в области высоких частот, шунтируя генератор тока αIЭ. В свою очередь на высоких частотах нужно учитывать также, что параметр α зависит от частоты. Приближённо можно считать, что
α(jω)=
α0
, где α0 – коэффициент передачи эмиттерного тока на низких частотах, а
1+jωτα
τα- постоянная времени коэффициента α.
Рис.2.32. Эквивалентная схема транзистора, включённого с общей базой.
Величины СК и τα в значительной степени зависит от типа используемых транзисторов. Для современных высокочастотных транзисторовСК≈1-2пФ, а τα лежит в пределах около 0,03 нс.
Малосигнальные параметры транзистора, включённого по схеме с общей базой можно использовать в эквивалентной схеме транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. При этом сопротивление rЭ и rБ можно использовать без изменения, а сопротивление rК и ёмкость коллекторного перехода необходимо пересчитать, поскольку напряжение ЕК действует не только на коллекторный, но и на эмиттерный переходы (рис.2.23). Кроме того, нужно учесть, что в схеме с общим эмиттером в коллекторной цепи действует генератор тока, учитывающий усиление базового тока. Анализ показывает, что транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, можно заменить следующей эквивалентной схемой (рис.2.33). Использованные в эквивалентной схеме
параметры связаны
с
параметрами
схемы с общей базой
следующими
соотношениями:β =
α
, r*
=
rК
, С*
= С
(1 +β) ,β(jω)=
β0
, τ
= τ
(1 +β) .
1
−α
К
1 +β
К
К
1 +jωτβ
β
α
studfiles.net
6.6. Основные свойства, характеристики и типы биполярных транзисторов
К транзисторам относят полупроводниковые приборы с тремя электродами, которые служат для усиления или переключения сигналов. Для изготовления транзисторов наиболее часто используют кремний и германий. В соответствии с этим различают кремниевые и германиевые транзисторы.
К классу широко распространенных биполярных транзисторов относят полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда.
Инжекцией называется введение (нагнетание) носителей заряда через p-n-переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счет снижения потенциального барьера (прямое включение перехода).
Экстракцией называют процесс «отсоса» неосновных носителей заряда при обратном включении напряжения.
В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p-типа и n-p-n-типа. Упрощенная схема p-n-p-транзистора показана на рис.6.30.
Рис.6.30. Структура p-n-p-транзистора
На рис.6.31 показано условное обозначение p-n-p и n-p-n-транзистора.
Рис.6.31. Условное обозначение транзисторов
При подключении транзистора к одному переходу прикладывается прямое, к другому обратное напряжение.
Переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а его соответствующий вывод – эмиттером (э). Переход к которому при нормальном включении приложено обратное напряжение, называют коллекторным, а вывод – коллектором (к). Средний слой называют базой (б).
Допустимо обратное включение переходов, его называют инверсным включением. При инверсном включении параметры транзистора сильно изменяются.
На рис.6.32 показана схема движения носителей зарядов в нормально включённом транзисторе.
Рис.6.32. Схема движения носителей зарядов в транзисторах
При таком включении эмиттерный переход смещается в прямом направлении, коллекторный – в обратном.
Толщина базы конструктивно выполняется во много раз меньше диффузной длины, поэтому неосновные носители в базе не успевают рекомбинировать. Т.е., если дырки попадают в базу, они ее просто «проскакивают».
При смещении эмиттера в прямом направлении дырки из эмиттера переходят в базу, а электроны из базы в эмиттер, причем из-за высокого сопротивления базы в ней преобладает дырочный ток. Дырки, попавшие в базу, создают вблизи p-n-перехода электрический заряд, который компенсируется электронами, приходящими из внешнего источника Uэб. Приток электронов в базу из внешней цепи создает электрический ток I′б, который направлен из базы.
Инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсирующие их заряд, движутся вглубь базы к коллектору, проходят базу вследствие малости ее толщины и попав в ускоряющее поле вблизи коллекторного перехода, втягиваются в коллектор. Электроны, ушедшие через коллекторный переход, уходят через базовый вывод, создавая ток I′′б. Дырки в базе являются неосновным носителем и поэтому свободно проходят через запертый коллекторный p-n-переход в область коллектора.
Поскольку дырки дают только часть тока эмиттера, то ток коллектора меньше тока эмиттера и определяется формулой
Ik=Iэ,
где <1 – коэффициент передачи эмиттерного тока с учетом обратного, неуправляемого тока базы Iкб, общий ток коллектора определяется соотношением
Ik=Iэ+ Iкб(6.4)
Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному переходу будет менять ток Iэ, а следовательно и Ik.
Таким образом для изменения тока коллектора по определенному закону необходимо по этому же закону изменять ток эмиттера путем использования напряжения Uэб. Одной из важных характеристик транзистора является его коэффициент усиления по току, определяемый соотношением =Ik/Iб.
В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигнала, различают 3 схемы включения транзистора (рис.6.33). На рисунке 6.33 приведены схемы включения транзистора p-n-p типа: а) – с общей базой; б) – с общим эмиттером; в) – с общим коллектором.
Рис.6.33. Варианты схем включения транзистора
На этих рисунках источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току. Для расчетов схем, содержащих транзисторы, используют их входные и выходные характеристики. На рис.6.34 приведена передаточная характеристика транзистора n-p-n-типа, а на рис.6.35 – семейство его выходных характеристик для фиксированных значений напряжений Uбэ.
Рис.6.34. Передаточная характеристика.
Рис.6.35. Семейство выходных характеристик.
Часто графики выходных характеристик строят для фиксированных токов базы (iб=0, iб=iб1, iб2…).
Особенностью транзистора является то, что его коллекторный ток мало изменяется после достижения Uкэ определенного значения. Напряжение, при котором на выходной характеристике появляется изгиб, называется напряжением насыщения. Другой особенностью транзистора является то, что при малых изменениях входного напряжения, его выходной ток изменяется в достаточно широких пределах, что хорошо иллюстрируется рисунком 6.24. Передаточная характеристика транзистора, как и диода, описывается экспоненциальной зависимостью вида
(6.5)
Изменение коллекторного тока в зависимости от Uбэ характеризуется крутизной S.
(6.6)
Эта величина может быть рассчитана с использованием выражения (6.5)
, (6.7)
т.е. крутизна пропорциональна коллекторному току и практически не зависит от индивидуальных свойств транзистора.
Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер характеризуется дифференциальным входным сопротивлением.
Для инженерных расчетов принимают:
rкэ=Uэ/Iк ,
где Uэ - коэффициент пропорциональности, называемый напряжением Эрми. Типовое значение Uэ находится в пределах 80…200 В для n-p-n транзисторов и 40…150 В для p-n-p транзисторов.
С определённой степенью точности выходное сопротивление транзистора может быть определено по его выходным характеристикам из соотношения при фиксированном токе базы (или напряженииUбэ).
Входная цепь транзистора характеризуется дифференциальным входным сопротивлением
Это сопротивление можно определить по входной характеристике Iб=f (Uбэ), типовой график которой приведен на рисунке 6.36. С определённой степенью точности можно считать, что .
Рис.6.36. Входная характеристика транзистора
Режим работы транзистора, при котором токи коллектора соизмеримы с обратным током коллектора Iко, называют режимом отсечки, а область выходных характеристик вблизи оси напряжений, называют областью отсечки. В этой области оба перехода смещены в обратном направлении.
В активном режиме, в котором транзисторы обычно работают в качестве усилителей, протекающие токи приводят к выделению тепла в коллекторном переходе, на котором мощность определяется в соответствии с выражением
Pk=Ik.Uкб
Чтобы транзистор не перегревался, должно выполняться неравенство
Pk Pkmax,
где Pkmax – максимально допустимая мощность.
В активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном.
Если оба перехода смещены в прямом направлении, то такой режим называется режимом насыщения.
Для нормальной работы транзистора должны одновременно соблюдаться 3 условия:
Pk Pk max
Ik Ik max
Uкэ Uкэ max ,
где Iк max и Uкэ max – максимально допустимые параметры по коллекторному току и напряжению коллектор-эмиттер.
На рис.6.37 для выходных характеристик транзистора показаны режимы работы транзистора и область его безопасной работы
Рис.6.37. Режимы работы транзистора
Для часто используемой схемы с общим эмиттером с учетом выражения 6.4, а также с учетом того, что
Iэ=Iк+Iб
справедливо соотношение
Iк=(Iк+Iб)+Iко,
откуда
(6.8)
В последнем выражении коэффициент
называется статическим коэффициентом передачи базового тока. Типовые значения
Если ввести обозначение то выражение (6.8) преобразуется в выражение
(6.9)
Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики работы транзистора без учета наклона характеристик.
С учетом наклонов последнее выражение преобразуется в выражение вида:
,
где .
При расчете электронных схем, содержащих транзистор, используют их эквивалентные схемы и соответствующие математические модели. В настоящее время известно несколько вариантов таких моделей.
Один из них – вариант модели Эберса-Молла представлен на рис.6.38.
Рис.6.38. Математическая модель по Эберсу-Моллу
В этой схеме 1 – статический коэффициент передачи коллекторного тока в область эмиттера, Iкт и Iэт – тепловые токи коллектора и эмиттера. Источники тока отражают взаимодействие p-n-переходов. Используя первый закон Кирхгофа, можно записать
Практически используемые модели дополняются сопротивлениями и конденсаторами переходов, аналогичных тому, как это делается в моделях диодов.
Упрощенные математические модели принято называть эквивалентными схемами. При работе на активном участке в первом приближении входные и выходные характеристики транзистора можно считать линейными, в связи с чем эквивалентную схему транзистора можно представить, можно представить в виде рис. 6.39.
Рис.6.39. Эквивалентная схема транзистора
Здесь rб и rэ – сопротивление базового и эмиттерного слоя соответственно. Иногда вместо rэ включают идеальный диод VD, который во включенном состоянии заменяют «закороткой», а в выключенном – «разрывом» цепи, емкость С′к включается при анализе схемы на переменном токе. С некоторым приближением можно считать, что:
,
где Ck – барьерная емкость коллекторного перехода.
Для этой схемы справедливо соотношение: .
Графический анализ транзисторных схем осуществляется с использованием линии нагрузки, аналогично графическому анализу диодных схем, но линии нагрузки строят для входной и выходной цепи. Рассмотрим технику графического расчета на примере схемы, представленной на рис. 6.40.
Рис.6.40. Вариант схемы включения транзистора
Для входной цепи уравнение линии нагрузки имеет вид:
Eб=IбRб+Uбэ.
Для выходной цепи:
Eк=IкRк+Uкэ.
Если Eб достаточно велико, напряжением Uбэ можно пренебречь.
Для входной цепи график линии нагрузки на входной вольт-амперной характеристике имеет вид, представленный на рис.6.41, в соответствии с этим рисунком определяется ток базы Iб*.
Рис.6.41. Линия нагрузки для входной цепи
Для выходной цепи график линии нагрузки изображен на рис.6.42.
Рис.6.42. Линия нагрузки для выходной цепи
Искомые параметры определяются по точке пересечения линии нагрузки, пересекающей кривую тока Iбj ближайшую к . В нашем случае это Iб2. Найденную точку О называют начальной рабочей точкой. Относительно нее определяются , , .
При использовании аналитических методов расчета в анализируемых схемах транзистор заменяется на эквивалентную схему. Для схемы рис.6.40, при использовании эквивалентной схемы рис.6.39, получаем схему для соответствующих аналитических расчетов, представленную на рис.6.43.
Рис.6.43.Схема для аналитического метода расчета
Для этой схемы:
При анализе электронных схем обычно используются транзисторы, работающие в активном режиме. В этом случае транзисторы представляют в виде четырехполюсников, в которых изображают транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис.6.44).
Рис. 6.44. Представление транзистора четырехполюсника
Для схемы с общим эмиттером введены следующие обозначения: I1 – переменная составляющая тока базы; U1 – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером; I2 – переменная составляющая тока коллектора; U2 – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером. Для описания такого четырехполюсника вводится 4 так называемых h-параметра, для которых выполняется условие
или в другой форме
U1=h21.I1+h22.U2
I2=h31.I1+h32.U2.
Коэффициенты hij определяют опытным путем, например, h21 определяют при коротком замыкании выхода (U2=0), тогда . Из последнего соотношения видно, что h21 представляет собой входное сопротивление транзистора.
В режиме холостого хода на входе (I1=0) измеряют параметр . Коэффициент передачи тока определяется в режиме короткого замыкания на выходе по формуле . Выходная проводимость определяется в режиме холостого хода на входе из соотношения.
Для описания работы транзисторов на переменном токе и в импульсных схемах необходимо учитывать соответствующие емкости переходов, которые приводят к временным задержкам в срабатывании.
На рис.6.45 представлена временная диаграмма изменения коллекторного тока при скачкообразном изменении тока эмиттера. Включение эмиттерного тока приводит к скачкообразному изменению тока базы, что объясняется накоплением зарядов в базе транзистора.
Рис.6.45. Временные диаграммы работы транзистора
После накопления зарядов ток базы определяется значением статического коэффициента передачи базового тока . Ток коллектора возникает с некоторой задержкойtЗ, когда электроны, инжектированные эмиттером, достигнут коллектора и далее плавное нарастание коллекторного тока tH объясняется хаотичностью движения электронов и различной их скоростью.
На переменном токе при анализе транзисторных схем вместо статического коэффициента используют дифференциальные коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока, зависящие от частоты преобразуемого сигнала.
При этом модуль коэффициента передачи тока базы определяется формулой
,
где - частота тока управления транзистором, - предельная частота работы транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.
На рис. 6.46 приведен типовой график изменения дифференциального коэффициента передачи базового тока от частоты.
Рис.6.46. Частотная характеристика
Частоту, на которой дифференциальный коэффициент передачи базового тока падает до уровня 0,7 называют предельной частотой работы транзистораfпр. Частоту, на которой прекращаются усилительные свойства транзистора () называют граничной частотойfгр.
График рис.6.46 характеризует то свойство транзисторных схем, что с ростом частоты их усилительные свойства уменьшаются.
При обозначении различных типов транзисторов используют буквенно-цифровой код. Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен транзистор, второй элемент (буква) определяет подкласс (группу) транзисторов, третий (цифра) – основные функциональные возможности транзистора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа транзисторов, пятый элемент – буква – условно определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовляемых по единой технологии (рис.6.47).
Например, обозначение КТ937А-2 определяет кремниевый биполярный транзистор большой мощности, номер разработки 37, группа А, безкорпусной, с гибкими выводами на кристаллодержателе.
Рисунок 1 Схема с общей базой
Выражение для сопротивления на входе выглядит следующим образом:
Рисунок 3 Характеристики выхода
Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики.
.png)
.png)
