Биполярный транзистор. Работа биполярного транзистора
Биполярный транзистор
Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующимивыпрямляющими электронно-дырочными переходами, тремя (или более выводами). Усилительные свойства биполярных транзисторов обусловлены явлениямиинжекции и экстракции неосновных носителей заряда.
Структура биполярных итранзисторов приведена на рисунках.
Взаимодействиемеждупереходами осуществляется при малой толщине области между переходами. В этом случае носители заряда,инжектированные через переход, смещенный в прямомнаправлении, могут преодолеть малую базовую область и дойти до второго перехода.
Второй переход смещен в обратном направлении. При отсутствии инжекции носителей в область базы ток второго (обратно смещенного перехода) мал. При наличии инжекции носителей в базовую область, достигшие второго перехода носители изменяют ток, протекающий через обратно смещенный переход. То есть, ток первого перехода управляет током второго перехода.
Область транзистора, используемая в режиме инжекции, называется эмиттером.
Область транзистора, осуществляющая экстракцию (удаление) носителей заряда называется коллектором.
Средняя область транзистора называется базой.
Электронно-дырочный переход, расположенный между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом. Электронно-дырочный переход, расположенный между коллектором и базой, называетсяколлекторным переходом.
Для величин, относящихся к эмиттеру, коллектору и базе применяются индексы "э", "к", "б" соответственно. Например, токи в соответствующих проводниках, обозначаются . Напряжения между соответствующими электродами обозначаются двойными индексами:-напряжение между базой и эмиттером.
Электронно-дырочные переходы биполярного транзистора могут быть смещены как в прямом, так и в обратном направлении. При этом возможны три режима работы транзистора:
Режим отсечки-оба перехода смещены в обратном направлении и через транзистор проходят малые токи
Режим насыщения- оба перехода смещены в прямом направлении. Через транзистор при этом проходят сравнительно большие токи.
Активный режим- эмиттерный переход смещен с прямом направлении, коллекторный переход смещен в обратном направлении. В этом режиме наиболее эффективно осуществляется управление током.
Физика работы биполярного транзистора в активном режиме.
Активный режим является основным режимом работы транзистора. В активном режиме на эмиттерном переходе прямое напряжение внешнего источника, то есть сопротивление эмиттерного перехода низкое -несколько ом.. На коллекторном переходе обратное включение внешнего источника - сопротивление коллекторного перехода высоко - несколько мегаом. Благодаря высокому сопротивлению коллекторного перехода в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением, а ток коллектора при этом останется практически неизменным, так как он все равно будет определяться очень большой величиной сопротивления обратно смещенного коллекторного перехода.
При прямом смещении эмиттерного перехода его потенциальный барьер понижается и через переход течет ток основных носителей заряда -ток эммитера . Инжектированные через эмиттерный переход в базу носители заряда, частично рекомбинируют в базе. Ввиду малой толщины базы основная часть инжектированных носителей заряда диффундирует сквозь базу и (для базы это неосновные носители) достигает коллекторного перехода.
В исходном состоянии коллекторный переход закрыт обратным включением внешнего источника. Поэтому на коллекторном переходе существует потенциальный барьер и соответствующее электрическое поле. Через коллекторный переход могут проходить только неосновные носители. Поэтому инжектированные через эмиттерный переход носители - для коллекторного перехода это неосновные носители - подхватываются полем и проходят через коллекторный переход, создавая коллекторный ток . Следовательно, коллекторный переход осуществляет удаление -экстракцию- неосновных носителей из базовой области.
Те носители, которые не принимают участия в создании коллекторного тока, а рекомбинируют в теле базы, создают тем базовый ток .
Очевидно, что ток коллектора меньше тока эмиттера. Из условия равенства токов в узле (закон Кирхгофа для токов) следует следующее равенство:.
Необходимо чтобы ток базы был по возможности ниже. Обычно ток базы составляет единицы процентов от величины тока эмиттера. Это достигается при изготовлении транзисторов уменьшением концентрации примесей в базе, уменьшением толщины базы. При выполнении этих условий можно считать, что токи эмиттера и коллектора примерно равны .
Следовательно ток коллектора может изменяться от очень малой величины (практически от нуля), определяемой обратным током электронно-дырочного перехода, до значения тока эмиттерного перехода.
Если ток коллектора возрастает при неизменном напряжении на коллекторе (-схема включения с общей базой), то физически это означает, что сопротивление коллекторного перехода снижается до величины того же порядка, что и сопротивление эмиттерного перехода. Следовательно, в результате инжекции носителей из эмиттера происходит преобразование сопротивления коллектора (transferresistor- отсюда и название транзистор).
Напряжение на эмиттерном переходе значительно меньше чем напряжение на коллекторном переходе (). Токи коллектора и эмиттера практически равны. Мощности выделяемые в эмиттерной цепии коллекторной цепиразличны, причем. Следовательно, биполярный транзистор способен усиливать мощность входного сигнала, то есть является усилительным прибором.
studfiles.net
Биполярный транзистор — Википедия
Обозначение биполярных транзисторов на схемах
Файл:Npnpnp.png
Простейшая наглядная схема устройства транзистора
Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы 2 p-n перехода и перенос заряда в приборе осуществляется носителями 2 видов — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный».
Применяется в электронных устройствах для усиления генерации электрических колебаний и в качестве переключающего ток элемента, например, в логических электронных схемах.
Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный).
Работа биполярного транзистора, в отличие от полевого транзистора, основана на переносе зарядов одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.
Электрод, подключённый к среднему слою, называют базой, электроды, подключённые ко внешним слоям, называют эмиттером и коллектором. С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы. Но практически, при изготовлении транзисторов, для улучшения электрических параметров прибора они существенно различаются степенью легирования примесями. Эмиттерный слой сильно легированный, коллекторный легируется слабо, что обеспечивает повышение допустимого коллекторного напряжения. Величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода некритична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещенным эмиттерным p-n-переходом, кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Кроме того, площадь коллекторного p-n-перехода при изготовлении делается существенно больше площади эмиттерного перехода, что обеспечивает лучший сбор неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи.
Для повышения быстродействия (частотных параметров) биполярного транзистора толщину базового слоя нужно делать тоньше, так как толщиной базового слоя, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей, но, при снижении толщины базы, снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.
В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. В настоящее (2015 г.) время их изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.
Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E (Э), базы B (Б) и коллектора C (К). В зависимости от чередования типа проводимости этих слоёв различают n-p-n (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты[1].
Слой базы расположен между эмиттерным и коллекторным слоями и слаболегирован, поэтому имеет большое электрическое сопротивление. Общая площадь контакта база-эмиттер выполняется значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам — большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность захвата неосновных носителей заряда из базы в коллектор и, так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, при работе в коллекторном переходе выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, повышение площади способствует лучшему отводу тепла от коллекторного перехода), поэтому реальный биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (технически нецелесообразно менять местами эмиттер и коллектор и получить в результате аналогичный исходному биполярный транзистор — инверсное включение).
В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).
Для определённости рассмотрим работу n-p-n транзистора, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители заряда в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико[2]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).
Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малым током базы можно управлять значительно бо́льшим током коллектора.
Режимы работы биполярного транзистора[править]
Нормальный активный режим[править]
Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):
UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.
Инверсный активный режим[править]
Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).
Режим насыщения[править]
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.
Режим отсечки[править]
В данном режиме оба p-n перехода смещены в обратном направлении. Режиму отсечки соответствует условие UЭБ<0, UКБ<0.
Барьерный режим[править]
В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.
Схемы включения[править]
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:
Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.
Схема включения с общей базой[править]
Схема включения с общей базой. Усилитель с общей базой.
Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.
Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало, зависит от тока эмиттера, при увеличении тока - снижается и не превышает единиц - сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.
Достоинства
Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
Высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки схемы с общей базой
Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
Малое входное сопротивление
Схема включения с общим эмиттером[править]
Схема включения с общим эмиттером.Iвых = IкIвх = IбUвх = UбэUвых = Uкэ.
Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.
Недостатки
Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.
Схема с общим коллектором[править]
Схема включения с общим коллектором.Iвых = IэIвх = IбUвх = UбкUвых = Uкэ.
Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.
Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».
Основные параметры[править]
Коэффициент передачи по току.
Входное сопротивление.
Выходная проводимость.
Обратный ток коллектор-эмиттер.
Время включения.
Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
Обратный ток коллектора.
Максимально допустимый ток.
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.
Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:
коэффициент усиления по току α;
сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
rб — поперечное сопротивление базы.
Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.
Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».
Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.
h21 = Um1/Im1, при Um2 = 0.
Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.
h22 = Um1/Um2, при Im1 = 0.
Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.
h31 = Im2/Im1, при Um2 = 0.
Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.
h32 = Im2/Um2, при Im1 = 0.
Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:
Um1 = h21Im1 + h22Um2; Im2 = h31Im1 + h32Um2.
В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.
Для схемы ОЭ: Im1 = Imб, Im2 = Imк, Um1 = Umб-э, Um2 = Umк-э. Например, для данной схемы:
Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:
;
;
;
.
С повышением частоты вредное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Сопротивление ёмкости уменьшается, снижается ток через сопротивление нагрузки и, следовательно, коэффициенты усиления α и β. Сопротивление ёмкости эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако она шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.
В импульсном режиме импульс тока коллектора начинается с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.
Технологии изготовления транзисторов[править]
Применение транзисторов[править]
↑ Невыпрямляющий контакт — контакт двух разнородных материалов, вольтамперная характеристика которого симметрична при смене полярности и практически линейна.
↑ Лаврентьев Б. Ф. Схемотехника электронных средств. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. — С. 53—68. — 336 с. — ISBN 978-5-7695-5898-6.
wp.wiki-wiki.ru
Работа биполярного транзистора. Режим усиления
Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем осваивать биполярный транзистор и сегодня мы рассмотрим его работу в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.
В режиме усиления транзисторы работают в схемах радиовещательных приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ). При работе используются малые токи в базовой цепи транзистора, управляющие большими токами в коллекторной цепи. Этим и отличается режим усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор под действием напряжения Uб на базе.
1. Схема усилителя.
В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.
В коллекторную цепь транзистора VT1 включим высокоомный электромагнитный телефон BF2, между базой и минусом источника питания GB установим резистор Rб, и развязывающий конденсатор Cсв, включенный в базовую цепь транзистора.
Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне BF1 его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум с двумя-тремя транзисторами или так называемый двухкаскадный усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе или однокаскадном усилителе.
Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.
2. Работа схемы усилителя.
При подаче напряжения питания в схему, на базу транзистора через резистор Rб поступает небольшое отрицательное напряжение 0,1 — 0,2В, называемое напряжением смещения. Это напряжение приоткрывает транзистор, и через эмиттерный и коллекторный переходы начинает течь незначительный ток, который как бы переводит усилитель в дежурный режим, из которого он мгновенно выйдет, как только на входе появится входной сигнал.
Без начального напряжения смещения эмиттерный p-n переход будет закрыт и, подобно диоду, «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиленный сигнал будет искаженным.
Если на вход усилителя подключить еще один телефон BF1 и использовать его как микрофон, то телефон будет преобразовывать звуковые колебания в переменное напряжение звуковой частоты, которое через конденсатор Ссв будет поступать на базу транзистора.
Здесь, конденсатор Ссв выполняет функцию связующего элемента между телефоном BF1 и базой транзистора. Он прекрасно пропускает напряжение звуковой частоты, но преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону BF1. А так как телефон имеет свое внутреннее сопротивление (около 1600 Ом), то без этого конденсатора база транзистора через внутреннее сопротивление телефона была бы соединена с эмиттером по постоянному току. И естественно, ни о каком усилении сигнала речи и быть не могло.
Теперь, если начать говорить в телефон BF1, то в цепи эмиттер-база возникнут колебания электрического тока телефона Iтлф, которые и будут управлять большим током в коллекторной цепи транзистора. И уже этот усиленный сигнал, преобразованный телефоном BF2 в звук, мы и будем слышать.
Сам процесс усиления сигнала можно описать следующим образом.При отсутствии напряжения входного сигнала Uвх, в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (прямые участки графиков а, б, в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора.
Как только в цепи базы появляется входной сигнал (правая часть графика а), то соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора (правая часть графиков б, в).
Во время отрицательных полупериодов, когда отрицательное входное Uвх и напряжение источника питания GB суммируются на базе — токи цепей увеличиваются.
Во время же положительных полупериодов, кода напряжение входного сигнала Uвх и источника питания GB положительны, отрицательное напряжение на базе уменьшается и, соответственно, токи в обеих цепях также уменьшаются. Вот таким образом и происходит усиление по напряжению и току.
Если же нагрузкой транзистора будет не телефон а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления.
Один транзистор может усилить сигнал в 30 – 50 раз.
На рисунке ниже показана зависимость тока коллектора от тока базы.
Например. Между точками А и Б ток базы увеличился от 50 до 100 мкА (микроампер), то есть составил 50 мкА, или 0,05 mA. Ток коллектора между этими точками возрос от 3 до 5,5 mA, то есть вырос на 2,5 mA. Отсюда следует, что усиление по току составляет: 2,5 / 0,05 = 50 раз.
Точно также работают транзисторы структуры n-p-n. Но для них полярность включения источника питания, питающей цепи базы и коллектора меняется на противоположную. То есть на базу и коллектор подается положительное, а на эмиттер отрицательное напряжения.
Запомните: для работы транзистора в режиме усиления на его базу, относительно эмиттера, вместе с напряжением входного сигнала обязательно подается постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор.
Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.
Напряжение смещения на базу не подают лишь в том случае, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.
3. Классификация транзисторов по мощности и по частоте.
В зависимости от максимальной мощности рассеивания биполярные транзисторы делятся на:
1. малой мощности — Pmax ≤ 0,3 Вт;2. средней мощности — 0,3 3. большой мощности — Pmax > 1,5 Вт.
В зависимости от значения граничной частоты коэффициента передачи тока на транзисторы:
1. низкой частоты – fгр ≤ 3 МГц;2. средней частоты – 3 МГц 3. высокой частоты — 30 МГц 4. сверхвысокой частоты (СВЧ-транзисторы) — fгр > 300 МГц.
Ну вот и все.Теперь у Вас не должно возникнуть вопросов о работе биполярного транзистора в режиме усиления.Удачи!
Литература:
1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.
sesaga.ru
Активный режим работы биполярного транзистора
Добавлено 30 сентября 2017 в 15:13
Сохранить или поделиться
Когда транзистор находится в полностью выключенном (закрытом) состоянии (как разомкнутый ключ), говорится, что он в режиме отсечки. И наоборот, когда он полностью проводит ток между эмиттером и коллектором (пропускает ток такой величины, какую могут позволить источник питания и нагрузка), говорится, что он находится в режиме насыщения. Эти два режима работы были изучены ранее при использовании транзистора в качестве ключа.
Однако биполярные транзисторы не должны ограничиваться этими двумя экстремальными режимами работы. Как мы узнали в предыдущем разделе, ток базы «открывает клапан» для ограниченного количества тока через коллектор. Если это ограничение для управляемого тока больше нуля, но меньше максимального значения, разрешенного источником питания и схемой нагрузки, транзистор «удерживает» значение тока коллектора в режиме где-то между режимами отсечки и насыщения. Этот режим работы называется активным режимом.
По аналогии с автомобилем: отсечка – это состояние отсутствия движущей силы, создаваемой механическими частями автомобиля, чтобы заставить его двигаться. В режиме отсечки включается тормоз (нулевой ток базы), предотвращающий движение (ток коллектора). Активный режим – это режим круиз-контроль автомобиля на постоянной контролируемой скорости (постоянный, контролируемый ток коллектора), которую устанавливает водитель. Насыщение – это подъем автомобиля на крутой холм, который мешает ему двигаться так быстро, как пожелает водитель. Другими словами «насыщенный» автомобиль – это автомобиль с полностью вдавленной в пол педалью газа (ток базы допускает протекание тока коллектора, большего, чем может быть обеспечено схемой источника питания и нагрузки).
Давайте соберем схему для моделирования в SPICE, чтобы продемонстрировать, что происходит, когда транзистор находится в активном режиме работы.
Схема для SPICE моделирования «активного режима» (список соединений приведен ниже)bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 20u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 2 0.05
.plot dc i(vammeter)
.end
«Q» – это стандартное буквенное обозначение для транзистора на принципиальной схеме (в России по ГОСТу принято обозначение VT), так же как «R» для резистора, а «C» для конденсатора. В этой схеме у нас есть NPN-транзистор, питаемый от батареи (V1) и управляемый источником тока (I1). Источник тока – это устройство, которое выдает заданную величину тока, генерируя такое напряжение на своих выводах, которое необходимо, чтобы обеспечить точную величину тока, протекающего через него. Как известно, источники тока трудно найти в природе (в отличие от источников напряжения, которые, наоборот, пытаются поддерживать постоянное значение напряжения, выдавая необходимое значение тока для выполнения этой задачи), но могут быть смоделированы с помощью небольшого набора электронных компонентов. Как мы сейчас увидим, транзисторы сами имеют тенденцию имитировать поведение, поддерживающее постоянную величину тока, как и источники тока, с помощью своей способности стабилизировать ток на фиксированном значении.
При SPICE моделировании мы установим источник тока в постоянное значение 20 мкА, затем будем изменять напряжение источника напряжения (V1) в диапазоне от 0 до 2 вольт и наблюдать, какой ток будет проходить через него. «Фиктивная» батарея (Vамперметр) на рисунке выше с выходным напряжением 0 вольт служит только для того, чтобы предоставить SPICE программе элемент схемы для измерения тока.
Изменение напряжения коллектора от 0 до 2 В при постоянном токе базы 20 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 2 мА в режиме насыщения
Постоянный ток базы 20 мкА устанавливает предельное значение для тока коллектора в 2 мА, что в точности в 100 раз больше. Обратите внимание, как выравнивается график тока коллектора (на рисунке выше) при изменении напряжения батареи от 0 до 2 вольт. Единственные исключение из этого совершенно ровного графика – в самом начале, когда напряжение батареи увеличивается от 0 до 0,25 вольта. На этом участке ток коллектора быстро растет от 0 до предельных 2 мА.
Посмотрим, что произойдет, если мы будем изменять напряжение батареи в более широком диапазоне, на этот раз от 0 до 50 вольт. Ток базы будем поддерживать на постоянном уровне 20 мкА (рисунок ниже).
Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В при постоянном токе базы 20 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 2 мА (список соединений приведен ниже)bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 20u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2
.plot dc i(vammeter)
.end
Тот же результат! Ток коллектора на рисунке выше удерживается точно на значении 2 мА, хотя напряжение (V1) изменяется от 0 до 50 вольт. Из нашего примера моделирования видно, что напряжение коллектор-эмиттер мало влияет на ток коллектора, за исключением очень низких уровней (чуть выше 0 вольт). Транзистор действует как стабилизатор тока, обеспечивая протекание через коллектор тока величиной 2 мА и не более.
Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы будем увеличивать управляющий ток (I1) от 20 мкА до 75 мкА, снова изменяя напряжение батареи (V1) от 0 до 50 вольт, и выводя на график значения тока коллектора (рисунок ниже).
Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В (.dc v1 0 50 2) при постоянном токе базы 75 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 7,5 мА. Другие графики генерируются при изменении значений тока (i1 15u 75u 15u) в операторе анализа DC (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u) (список соединений приведен ниже)bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 75u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u
.plot dc i(vammeter)
.end
Неудивительно, что SPICE дает нам аналогичный график: прямая линия, закрепившаяся на этот раз на 7,5 мА – ровно в 100 раз больше тока базы – в диапазоне напряжений батареи от чуть выше 0 вольт до 50 вольт. По-видимому, ток базы является решающим фактором для тока коллектора, напряжение батареи V1 не имеет значения, если оно превышает определенный минимальный уровень.
Эта связь между напряжением и током полностью отличается от того, что мы привыкли видеть на резисторе. Для резистора ток увеличивается линейно по мере увеличения напряжения. Здесь, для транзистора, ток от эмиттера к коллектору остается ограниченным на фиксированном максимальном значении независимо от того, насколько сильно увеличивается напряжение между эмиттером и коллектором.
Часто полезно накладывать несколько характеристик зависимости ток коллектора / напряжение для разных токов базы на одном графике, как на рисунке ниже. Набор характеристик, подобный этому (для каждого значения тока базы построен отдельный график), для конкретного транзистора называется выходными характеристиками транзистора:
Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером для разных токов базы
Каждая кривая на графике отражает ток коллектора транзистора, построенный для диапазона напряжений коллектор-эмиттер, для заданного значения тока базы. Поскольку транзистор стремится действовать как стабилизатор тока, ограничивая ток коллектора до пропорции, установленной током базы, полезно выразить эту пропорцию в качестве стандартного показателя работы транзистора. В частности, отношения тока коллектора к току базы известно как коэффициент бета (обозначенный греческой буквой β):
\[\beta = {I_{коллектор} \over I_{база}}\]
β также известен как hfe или h31э
Иногда коэффициент β обозначается как "hfe" или "h31э", метка, используемая в ветви математического анализа полупроводниковых приборов, известной как «гибридные параметры» или h-параметры, которая стремится достичь точных прогнозов работы транзисторов с помощью подробных уравнений. Переменных гибридных параметром много, но каждый из них обозначается буквой "h" и конкретным индексом. Переменная "hfe" ("h31э") представляет собой просто еще один (стандартизированный) способ выражения отношения тока коллектора к току базы и взаимозаменяема с “β”. Коэффициент β является безразмерной величиной.
β для любого транзистора определяется его конструкцией: он не может быть изменен после изготовления. Редко бывает, что β у двух транзисторов одной и той же конструкции точно совпадают из-за различий физических переменных, влияющих на этот коэффициент. Если работа схемы зависит от равенства β у нескольких транзисторов, за дополнительную плату могут быть приобретены «согласованные наборы» транзисторов. Однако, как правило, проектирование с такими зависимостями считается плохой практикой.
β транзистор не остается одинаковым во всех условиях эксплуатации. Для реального транзистора коэффициент β может изменяться в 3 раза в пределах его рабочих токов. Например, транзистор с объявленным значением β, равным 50, в реальных тестах отношения Iк/Iб может дать значения от 30 до 100, в зависимости от величины тока коллектора, температуры транзистора, частоты усиливаемого сигнала и других факторов. Для целей обучения для любого заданного транзистора достаточно принимать коэффициент β постоянным; и понимать, что реальная жизнь не так проста!
Иногда для понимания полезно «моделировать» сложные электронные компоненты с помощью набора более простых и понятных компонентов. Модель на рисунке ниже используется во многих вводных текстах по электронике.
Простая диодно-резисторная модель транзистора
Эта модель отображает транзистор как комбинацию диода и реостата (переменного резистора). Ток через диод база-эмиттер управляет сопротивлением реостата коллектор-эмиттер (как подразумевается пунктирной линией, соединяющей два компонента), тем самым контролируя ток коллектора. На рисунке приведена модель NPN-транзистора, но PNP-транзистор будет отличаться не сильно (будет изменено только направление диода база-эмиттер). Эта модель преуспевает в пояснении базовой концепции усиления транзистора: как сигнал тока базы может осуществлять управление током коллектора. Однако мне эта модель не нравится, потому что она неверно передает понятие установленного значения сопротивления коллектор-эмиттер для заданного значения тока базы. Если бы она была верна, транзистор не стабилизировал бы ток коллектора, как показывают графики выходных характеристик. Вместо характеристик тока коллектора, выровненных на графике после быстрого роста по мере увеличения напряжения коллектор-эмиттер, ток коллектора продолжал бы расти прямо пропорционально напряжению коллектор-эмиттер, и мы бы увидели на графике неуклонно растущие прямые.
В более продвинутых учебниках часто встречается более подходящая модель транзистора (рисунок ниже).
Модель транзистора на основе источника тока
Она отображает транзистор в виде комбинации диода и источника тока, причем выход источника тока задается умножением тока базы на коэффициент β. Эта модель гораздо более точна при отображении истинных входных/выходных характеристик транзистора: ток базы устанавливает определенное значение тока коллектора, а не определенное сопротивление коллектор-эмиттер, как предполагает первая модель. Кроме того, эта модель предпочтительна при проведении анализа транзисторных схем, причем источник тока является хорошо понятным теоретическим компонентом. К сожалению, использование источника тока для моделирования контролирующего ток поведения транзистора может вводить в заблуждение: транзистор никогда не будет служить источником электрической энергии. Источник тока не моделирует тот факт, что его источником энергии является внешний источник питания, как у усилителя.
Подведем итоги:
Говорят, что транзистор находится в активном режиме, если он работает где-то между полностью открытым режимом (насыщение) и полностью закрытым режимом (отсечка).
Ток базы регулирует ток коллектора. Под регулированием мы подразумеваем, что ток коллектора не может превышать значение, которое устанавливаемое током базы.
Отношение между током коллектора и током базы называется «бета» (β) или hfe или h31э.
Коэффициенты β у всех транзисторов различны; β изменяется в зависимости от условий эксплуатации.
Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора. 
; 
; 
; 
. 
