Режимы работы транзистора реферат
Обновлено: 05.07.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Иванов Владислав, Ищенко А.Б.,
Аннотация: Данная проектная работа посвящена изучению и созданию макета биполярного транзистора. Автор считает, что биполярный транзистор – важная часть для работы в области компьютерной, и робототехники.
1. Ознакомиться с историей создания, принципом работы, типами, биполярного транзистора.
2. Исследовать различные схемы подключения транзистора и его режимы работы.
4. Анализ полученных результатов. Коррекция деятельности.
5. Презентация проекта.
1. Изучение и анализ литературы.
2. Проектная деятельность
3. Метод технического конструирования
4 Анализ и презентация работы
1.1 Транзистор
Транзистор (англ. transistor ), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств
1.2 История создания биполярного транзистора
В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун впервые обнаружил явление односторонней проводимости контакта металл—полупроводник.
В 1929—1933гг., в ЛФТИ , Олег Лосев под руководством А. Ф. Иоффе провёл ряд экспериментов с полупроводниковым устройством, однако достаточного коэффициента усиления получить тогда не удалось. Изучая явления электролюминесценции в полупроводниках, Лосев исследовал около 90 различных материалов, особенно выделяя кремний. Но начавшаяся война и гибель инженера в блокадном Ленинграде зимой 1942 года привели к тому, что некоторые его работы оказались утеряны и сейчас неизвестно, насколько далеко он продвинулся в создании транзистора. До войны изготовить полупроводниковый усилительный прибор не удалось.
После войны, в 1945 году, исследования возобновились под руководством физика-теоретика Уильяма Шокли. После ещё 2 лет неудач, 16 декабря 1947 года, исследователь Уолтер Браттейн, пытаясь преодолеть поверхностный эффект в германиевом кристалле и экспериментируя с двумя игольчатыми электродами, перепутал полярность приложенного напряжения и неожиданно получил устойчивое усиление сигнала.
23 декабря 1947 года состоялась презентация действующего макета, эта дата стала считаться датой рождения транзистора.
1.3 Принцип работы биполярного транзистора
При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.
1.4 Типы биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы делятся на два типа: прямой ( p - n - p ) и обратной ( n - p - n ) проводимости, где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда, а positive — с избытком положительных. Их отличия заключаются в том, что для открытия транзистора прямой проводимости на базу требуется подать отрицательный заряд, а транзистор обратной проводимости открывается наоборот, подачей на базу положительного заряда.
1.5 Обозначение биполярного транзистора на принципиальной схеме
Обозначение транзистора вы можете увидеть на рис.1:
Рис.1 Обозначение транзистора на схемах.
Где 1-коллектор, 2-база, 3-эммитер. Обычно эти названия сокращают и просто пишут: Б (База), Э (Эмиттер), К (Коллектор). На зарубежных схемах вывод коллектора помечают буквой C, это от слова Collector - "сборщик" (глагол Collect - "собирать"). Вывод базы помечают как B, от слова Base (от англ. Base - "основной"). Это управляющий электрод. Ну, а вывод эмиттера обозначают буквой E, от слова Emitter - "эмитент" или "источник выбросов". В данном случае эмиттер служит источником электронов, так сказать, поставщиком.
1.6 Материалы преимущественно применяемые, при производстве биполярных транзисторов и их особенности
Полупроводниковые материалы, преимущественно применяемые в транзисторах это: кремний, арсенид галлия и германий
Особенности кремневого транзистора:
· p-n переходы обладают низкими токами утечки, что определяет более высокие пробивные напряжения кремниевых выпрямителей.
· Кремневый транзистор имеет большую рабочую температуру (до 150-70 градусов Цельсия).
· Кремневый транзистор является менее затратной при в производстве.
Особенности германиевого транзистора:
· Возможность работы при низких напряжениях питания начиная от 0,5 В.
· При работе на высоких частотах имеют низкий уровень шумов.
1.7 Режимы работы
Существует 4 режима работы биполярного транзистора, в одном из которых он может работать:
2. Активный режим
4. Барьерный режим
Биполярный транзистор имеет ещё инверсный режим, но он на практике не используется и интересен только при теоретических исследованиях поведения полупроводников. Поэтому он описан не будет.
В том случае, если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже некоторого значения (примерно 0.6 Вольт), то база-эмиттерный p-n-переход оказывается закрытым, поскольку ток базы не возникает. В связи с этим коллекторный ток не протекает по той причине, что в базовом слое отсутствуют свободные электроны. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки и сигнал не усиливает.
2. Активный режим.
В этом режиме радиокомпонент усиливает сигнал, то есть исполняет свою основную функцию. На базу подаётся разность потенциалов, которая открывает база-эмиттерный p-n-переход. Как следствие, в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Значение коллекторного тока вычисляется, как арифметическое произведение величины тока базы и коэффициента усиления
В этот режим биполярный транзистор входит при увеличении тока базы до некоего предельного значения, при котором p-n-переходы полностью открываются. Значение тока, протекающего через БТ при его насыщении, зависит лишь от питающего напряжения и величины нагрузки в коллекторной цепи. В данном режиме входной сигнал не усиливается, ведь коллекторный ток не воспринимает изменений тока базы. Способность транзистора к переходу в насыщение используется в цифровой технике.
4. Барьерный режим.
Здесь транзистор работает как диод с последовательно включённым резистором. Для этого базу напрямую или через малоомное сопротивление соединяют с коллектором. В данном режиме триоды хорошо показывают себя в высокочастотных устройствах. Кроме того, использование транзистора в барьерном режиме целесообразно на реальном производстве для снижения общего количества комплектующих.
1.8 Схемы включения биполярного транзистора (Рис.2)
Биполярный транзистор может включаться в электрическую цепь, по одной из трех схем:
1. С общим эмиттером
2. С общим коллектором
3. С общей базой
Рис.2 Схемы включения биполярного транзистора
В зависимости способа включения, электрические параметры биполярного транзистора изменяются.
При включении биполярного транзистора с общим эмиттером достигается максимальное усиление входного сигнала. Благодаря этому данная схема в усилительных каскадах применяется чаще всего.
Схема с общим коллектором по-другому называется эмиттерным повторителем. Это связано с тем, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере оказываются практически равными. При таком включении наблюдаются большое усиление по току, высокое входное сопротивление и совпадение фаз входного и выходного сигналов. Вследствие этого эмиттерные повторители используются в согласующих и буферных усилителях.
При включении биполярного транзистора по схеме с общей базой отсутствует усиление по току, но значительным оказывается усиление по напряжению. Особенностью данного способа является малое влияние транзистора на сигналы высокой частоты. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в устройствах ВЧ.
2.1 Теоретические основы создания макета биполярного транзистора
Цель создания макета - наглядно показать работу схем с биполярным транзистором, как усилитель, генератор, и в ключевом режиме.
Чтобы продемонстрировать работу транзистора в качестве усилителя была выбрана схема микрофонного усилителя на двух кремневых транзисторах обратной проводимости.
 |
Принципиальная схема одного из вариантов микрофонного усилителя приведена на рис.3 .
Рис.3 Принципиальная схема одного из вариантов микрофонного усилителя
Среди основных характеристик данной конструкции следует отметить коэффициент усиления НЧ-сигнала, равный 22, а также диапазон частот, находящийся в пределах от 100 Гц до 5000 Гц. Питание усилителя осуществляется постоянным напряжением +9 В, потребляемый ток не превышает 2 мА . для согласования выходного сопротивления микрофонного усилителя с входным сопротивлением последующих каскадов нередко на выходе усилительного каскада устанавливается буферный каскад, например, хорошо известный эмиттерный повторитель. Сформированный на выходе микрофона ВМ1 низкочастотный сигнал через конденсатор C1 и резистор R2 проходит на базу транзистора VT1, на котором выполнен непосредственно усилительный каскад. Стабилизация рабочей точки этого транзистора осуществляется с помощью цепи отрицательной обратной связи по току. Особенностью данного каскада является еще одна цепь обратной связи, в состав которой входит конденсатор С2, включенный между коллектором и базой транзистора VT1. От величин емкостей этого конденсатора и конденсатора С3 зависят верхняя и нижняя границы диапазона частот усиливаемого сигнала.
Сигнал, снимаемый с коллекторной нагрузки транзистора VT1 (резистор R5), поступает на эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT2. При этом связь между каскадами осуществляется непосредственно, то есть между коллектором транзистора VT1 и базой транзистора VT2 отсутствует разделительный конденсатор. С эмиттера транзистора VT2 полезный сигнал через конденсатор С4 проходит на выход микрофонного усилителя. Использование эмиттерного повторителя в качестве выходного каскада микрофонного усилителя обеспечивает малое выходное сопротивление рассмотренной конструкции
В качестве генератора использовали схему симметричного мультивибратора. Схема вырабатывает прямоугольные импульсы, частота которых зависит от емкости конденсаторов базовой цепи (Рис.4).
Мультивибратор - это простой генератор прямоугольных импульсов, который работает в режиме автогенератора. Для его работы необходимо лишь питание от батареи, или другого источника питания. Работа симметричного мультивибратора основана на зарядно-разрядных процессах конденсаторов, образующих совместно с резисторами RC-цепочки.
Полупроводниковые приборы ( диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности. Для конструирования надёжных схем на транзисторах, то есть для правильного выбора типа транзистора, грамотного расчёта схем, выбора оптимального теплового и электрического режимов, необходимо располагать подробными сведениями, характеризующими эксплуатационные свойства транзисторов.
Содержание
Введение 3
1 Общие принципы 4
2 Основные параметры транзистора 6
3 Схемы включения транзисторов 8
3.1 Ключевой режим работы транзистора 8
3.2 Усилительный режим работы транзистора 10
3.3 Способы задания рабочей точки по постоянному току в усилительном режиме 10
4 Усилительные свойства биполярных транзисторов 11
4.1Усиление тока 11
4.2 Усиление мощности 13
Заключение 16
Библиографический список 17
Прикрепленные файлы: 1 файл
Режимы работы транзистора.docx
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
режимы работы транзистора
Тематический реферат
Студент группы ХХ
(подпись студента)
преподаватель кафедры ХХ
Омск 2014
Введение
Полупроводниковые приборы ( диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности. Для конструирования надёжных схем на транзисторах, то есть для правильного выбора типа транзистора, грамотного расчёта схем, выбора оптимального теплового и электрического режимов, необходимо располагать подробными сведениями, характеризующими эксплуатационные свойства транзисторов.
Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника
Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.
Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.
Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные корпуса ).
Основные материалы из которых изготовляют транзисторы — кремний и германий, перспективные – арсенид галлия , сульфид цинка и широко зонные проводники .
Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.
Биполярный транзистор представляет собой транзистор, в котором используются заряды носителей обеих полярностей.
Общие сведения о транзисторах. Характеристика принципа работы биполярных транзисторов, особенности схемы их включения и разновидности. Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Влияние частоты на усилительные свойства биполярных транзисторов.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.11.2013 |
| Размер файла | 990,5 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Санкт-Петербургский Национальный Исследовательский Университет Информационных технологий, Механики и Оптики
Реферат на тему:
Выполнила: Марина Д.
Проверил: Олехнович Р.О.
Оглавление
-
Введение
- Общие сведения о транзисторах
- Биполярные транзисторы
- Общие сведения
- Принцип работы биполярных транзисторов
- Схемы включения биполярных транзисторов
- Разновидности биполярных транзисторов
- Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ)
- Структура БТИЗ
- Силовые NPT IGBT транзисторы Microsemi с рабочим напряжением 650 В для промышленных применений
- Влияние частоты на усилительные свойства биполярных транзисторов
- Влияние температуры на режимы работы биполярных транзисторов
- Вывод
- Список литературы
Введение
На протяжении большей части ХХ века главной наукой была физика. Электрификация, автомобили, полеты в космос, атомная бомба - всеми этими достижениями человечество обязано именно физике.
Электроника, в основе которой лежат именно физические процессы, т.е. самая настоящая физика, уже в значительной мере изменила мир. Современный этап развития человеческого общества характеризуется все возрастающим проникновением электроники во все сферы жизни и деятельности людей. Достижения в этой области в значительной мере способствуют решению сложнейших научно-технических проблем, повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования, разработке эффективных технологий и систем управления, получению материалов с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации и другого.
Последнее информационное направление в настоящее время является наиболее актуальным и самым известным. Совершенно невозможно представить наш мир без персональных компьютеров, ноутбуков, смартфонов, планшетников - всего того, без чего немыслимы информационные технологии. Однако все эти вещи стали нашей реальностью только и исключительно благодаря развитию микроэлектроники.
Первые машины, для описания которых можно применить термин "компьютер", появились в 1940-х гг. Основу ЭВМ составляли вакуумные лампы размером примерно 12 мм в диаметре и 40 в высоту. На смену им пришли транзисторы, которые позже уступили место интегральным кремниевым схемам.
Вскоре после рождения микроэлектроники стало понятно, что ее развитие будет стремительным. С ростом числа транзисторов растет и мощность соответствующих вычислительных устройств.
Долгое время это правило, получившее название закона Мура, выполнялось, однако в последнее время скорость прироста числа транзисторов начала падать. Причиной этого стало приближение к физическому пределу - размер транзисторов сократился до десятков нанометров.
биполярный транзистор усилительное свойство
Общие сведения о транзисторах
Транзисторами называют полупроводниковые приборы, которые располагают не менее чем тремя выводами и в определённых обстоятельствах могут усиливать мощность, преобразовывать сигнал, или генерировать колебания. Различных видов транзисторов много - это полевые (униполярные) и биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором и однопереходные (двухбазовые) транзисторы, фототранзисторы и другие.
Усилительные каскады, выполненные на транзисторах, требуют небольшого напряжения питания величиной всего в несколько вольт, а КПД может достигать нескольких десятков процентов. Транзисторы по сравнению с электронными лампами обладают большей экономичностью, низким энергопотреблением, длительным временем наработки на отказ, малой массой и габаритами, высокой механической прочностью. К недостаткам транзисторов следует отнести невысокую радиационную стойкость, невозможность работы при температуре полупроводникового кристалла из кремния значительно выше 125°C и прочее.
Транзисторы классифицируют по материалу полупроводника, подразделяя на германиевые, кремниевые, из арсенида галлия и прочие.
Биполярные транзисторы, у которых две из трёх областей имеют дырочный тип проводимости, называют транзисторами с прямой проводимостью, или структуры p-n-p. А биполярные транзисторы, у которых две из трёх областей имеют электронный тип проводимости, называют транзисторами с обратной проводимостью, или структуры n-p-n.
Рассматриваемые приборы, которые не способны усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, называют низкочастотными транзисторами. Приборы, которые могут усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, но менее 30 МГц, называют среднечастотными транзисторами. А транзисторы, которые допускают усиление сигнала с частотой, превышающей 30 МГц, называют высокочастотными, а позволяющие работать на ещё большей частоте (выше 300 МГц) называют сверхвысокочастотными.
Если компоненты не могут обеспечить мощность рассеяния, превышающую 0,3 Вт, то такие транзисторы называют маломощными. Приборы, которые имеют рассеиваемую мощность более 0,3 Вт, но менее 3 Вт, называют транзисторами средней мощности. А транзисторы, мощность рассеяния которых превышает 3 Вт, называют мощными транзисторами.
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор, разработанный в 1949-1950 гг. американским физиком В. Шокли, наиболее распространенный тип усилительного полупроводникового прибора и является универсальным элементом электронной техники.
Перед нами важнейшие характеристики типичного маломощного кремниевого транзистора: характеристика прямой передачи (рис.1.1) и семейство выходных характеристик - при заданном токе эмиттера (рис.12) и при заданном напряжении база-эмиттер (рис.1.3). Отметим главное.
При тех значениях тока коллектора Iк, которые являются допустимыми для конкретного прибора, напряжение между базой и эмиттером транзистора почти всегда должно находится в пределах 0,6-0,7 В.
Крутизна прямой передачи биполярного транзистора очень велика (десятки и сотни мА/В), это хорошо видно на рис 1.1.
Выходное сопротивление транзистора (см. рис 1.2) при заданном эмиттерном токе очень велико не менее 1 Мом.
Усилительные свойства транзистора сохраняются при снижении напряжения между коллектором и базой Iкб до нуля (и даже чуть ниже - см. рис.1.2)
Токи коллектора и эмиттера практически равны между собой. Точнее, они различаются между собой на малую величину тока базы:
Причем отношение представляет собой параметр транзистора - коэффициент передачи тока, обозначаемый h21Э (можно также и встретить вариант ).
Общие сведения
Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими электрическими p-n-переходами, которые способны усилить сигнал по мощности за счет внешнего источника питания. Простейшим транзистором служит полупроводниковый троид с двумя p-n-переходами. Его структура представлена на рис.2.
В биполярном транзисторе в переносе тока одновременно принимают участие два типа зарядов - электроны и дырки. Переходы транзистора образованы тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типа. Транзисторы n-p-n типа предпочтительнее, так как подвижность электронов в них выше подвижности дырок.
Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой - эмиттером. Средний слой называется базой. База имеет проводимость противоположного типа и всегда является высокоомной, т.е. концентрация дырок в ней во много раз меньше, чем концентрация электронов в эмиттере.
Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а крайний слой - коллектором. Это название отражает функцию собирания инжектированных носителей, прошедших через слой базы. Концентрация электронов в нем тоже велика, она лишь незначительно ниже, чем в эмиттере.
Транзистор, вообще говоря, обратимый прибор, т.е. эмиттер и коллектор можно поменять местами, сохранив работоспособность прибора. Однако в связи с несимметричностью реальной структуры, а также различием материалов эмиттера и коллектора нормальное и инверсное включения транзистора неравноценны.
В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее поле отсутствует, и неосновные носители в базе движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называются диффузионными или бездрейфовыми.
При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле, и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль.
Принцип работы биполярных транзисторов
Если к транзистору приложить напряжение к эмиттерному переходу в прямом направлении, а к коллекторному переходу в обратном направлении (рис.3), причем Ек>>Еэ (Ек=110В, Еэ=0,11 В), то тогда эмиттерный переход открывается, его потенциальный барьер уменьшается, переход становится более узким, его сопротивление снижается и начинается процесс инжекции носителей заряда из эмиттера в базу (в нашем случае электронов), так как концентрация электронов в эмиттере гораздо выше концентрации дырок в базе. Поэтому база заполняется неосновными носителями заряда и поскольку толщина базы w в реальных транзисторах делается меньше, чем длина свободного пробега электронов L, то лишь малая часть электронов, инжектированных в базу, рекомбинирует с дырками базы. Заряд рекомбинированных электронов остается в базе и для восстановления электронейтральности базы из внешней цепи должен прийти дополнительный положительный заряд, поэтому ток базы представляет собой ток рекомбинации.
Основная часть электронов, инжектированных в базу, не успевает рекомбинировать с дырками и попадает вблизи коллекторного в электрическом поле, которое для них является ускоряющим, поскольку коллекторный переход включен в обратном направлении, а электроны в базе являются неосновными носителями заряда. Поэтому все электроны из базы поступают в коллектор, образуя во внешней цепи коллекторный ток. Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неосновными носителями заряда, через коллекторный p-n-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обычный обратный неуправляемый ток ко. Таким образом, полный ток в цепи будет равен
э= к+ б+ ко.
Так как база высокоомна, то можно считать, что дырки в эмиттер не переходят, поскольку они еще в базе рекомбинируют с электронами. Рекомбинация дает ток базы, который невелик, потому что концентрация дырок в базе мала.
В данной схеме транзистор включен с общей базой, в которой ток эмиттера является входным током э=вх, а ток коллектора выходным к=вых. Для транзистора важно знать соотношения между входным и выходным током, поэтому для расчета электрических эквивалентных схем вводят следующий параметр - коэффициент передачи по току.
т.е. схема с общей базой не усиливает по току, поскольку всегда. Коэффициент можно еще записать в виде: ,
где -коэффициент инжекции электронов, показывающий какую часть от полного тока эмиттера составляет его электронная составляющая, так как в полный ток эмиттера входит и дырочная составляющая, которая гораздо меньше первой; k-коэффициент переноса электронов через базу, показывающий долю инжектированных электронов, доходящих до коллектора и зависящий от толщины базы, которая в свою очередь, зависит от напряжения на p-n-переходе.
Предположим теперь, что на вход данной схемы поступил переменный сигнал Uвх. В этом случае через открытый эмиттерный переход начнет протекать входной ток эмиттера вх=э=Uвх/Rэ. Ток коллектора примерно равен току эмиттера, тогда на выходе транзистора, на коллекторном переходе, появится переменный сигнал, равный Uвых=Uк= к*Rк. Коэффициент усиления транзистора по напряжению:
Поскольку сопротивление закрытого коллекторного перехода гораздо больше, чем открытого эмиттерного перехода, то коэффициент усиления транзистора по напряжению для данной схемы будет очень большим. Таким образом, схема включения транзистора с обще базой не усиливает сигнал по току, но очень хорошо усиливает сигнал по напряжению. Усиление происходит за счет внешнего источника питания.
Схемы включения биполярных транзисторов
1. Схема включения транзистора с общим эмиттером.
На практике обходятся одним источником питания, а не двумя. Включение n-p-n транзистора совершенно аналогично включению p-n-p транзистора, однако в данном случае придётся поменять полярность обоих источников питания.
2. Схема включения транзистора с общим коллектором.
3. Схема включения транзистора с общей базой.
В каскаде, собранном по схеме с общей базой, напряжение входного сигнала подают между эмиттером и базой транзистора, а выходное напряжение снимают с выводов коллектор-база.
К достоинствам нужно отнести возможность функционирования каскада на существенно более высокой частоте по сравнению с двумя другими вариантами включения транзистора, и слабое влияние на работу каскада флюктуаций температуры. Именно поэтому каскады с транзисторами, включёнными по схеме с общей базой, часто используют для усиления высокочастотных сигналов.
Разновидности биполярных транзисторов
· Точечный транзистор - первый полупроводниковый прибор, в котором обнаружен эффект усиления. Это явление, при котором ток зонда повторяет изменение тока основного контакта при значительном обратном напряжении. При формировке контактов под иглами образуются слои: р-типа под эммитером, двойной p-n-слой под коллектором. Главным из отличий является то, что в этих структурах имеет место усиление тока в схеме с ОБ, т.е. б > 1. Допустимая рассеиваемая мощность таких приборов мала и составляет несколько 100мВт, Iко ? 1ч2 мА, rк =7ч15 кОм, rэ ? rб= до 500 Ом, т.е. параметры их значительно хуже, чем у плоскостных. И сегодня они с успехом заменены дрейфовыми и лавинными транзисторами.
· Лавинный транзистор - прибор, использующий ударную ионизацию в коллекторном переходе, которая дает возможность получить S-образную (неоднозначную по напряжению) выходную характеристику в схеме с ОЭ. Упрощенная формула для сопротивления:
rk= UM (-dб/dIэ) / [n (1-б) ( n -1 ) / n ].
Таким образом, характеристики лавинного транзистора напоминают характеристики тиристора или тиратрона. Интересно отметить, что в случае Iб > 0 "отрицательный участок" в принципе тоже возможен, но для этого требуется весьма критическое сочетание параметров.
Основным недостатком такого прибора является высокое коллекторное напряжение.
· Однопереходный транзистор (ОПТ) - это прибор с "отрицательным" сопротивлением, в котором ток нагрузки может возрастать даже при уменьшении Uвх. Если ОПТ находится во включенном состоянии, то выключить его можно, лишь размыкая цепь, либо снимая Uвх. На ОПТ реализуют различные источники запускающего напряжения. Можно подать Uсм
Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.
Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.
Необходимые пояснения даны, переходим к сути.
Транзисторы. Определение и история
Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.
Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.
И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.
Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики
Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.
Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.
Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.
Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.
Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.
Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.
Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.
Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.
- обратный ток коллектор-эмиттер
- время включения
- обратный ток колектора
- максимально допустимый ток
Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.
Режимы работы биполярного транзистора
Схемы включения биполярных транзисторов
Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.
Схема включения с общим эмиттером
Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.
Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.
Схема включения с общей базой
Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.
В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.
Схема включения с общим коллектором
Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.
Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала
Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.
В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.
Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).
Два слова о каскадах
Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.
Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.
Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).
Другие области применения биполярных транзисторов
Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и пригодный для усиления мощности.
Выпускаемые в настоящее время биполярные транзисторы можно классифицировать по следующим признакам:
- по материалу: германиевые и кремниевые;
- по виду проводимости областей: типа р-n-р и n-p-n;
- по мощности: малой (Рмах £ 0,3Вт), средней (Рмах £ 1,5Вт) и большой мощности (Рмах > 1,5Вт);
- по частоте: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и СВЧ.
В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок (или основными и неосновными). Отсюда их название – биполярные.
В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно транзисторы с плоскостными р-n- переходами.
Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематично на рис. 4.1.
Он представляет собой пластинку германия или кремния, в которой созданы три области с различной электропроводностью. У транзистора типа n-р-n средняя область имеет дырочную, а крайние области – электронную электропроводность.
Транзисторы типа р-n-р имеют среднюю область с электронной, а крайние области с дырочной электропроводностью.
Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом в транзисторе имеются два р-n- перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Площадь эмиттерного перехода меньше площади коллекторного перехода.
Эмиттером называется область транзистора назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.
Концентрация основных носителей заряда в эмиттере во много раз больше концентрации основных носителей заряда в базе, а их концентрация в коллекторе несколько меньше концентрации в эмиттере. Поэтому проводимость эмиттера на несколько порядков выше проводимости базы, а проводимость коллектора несколько меньше проводимости эмиттера.
От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).
Рассмотрим принцип действия транзистора на примере транзистора р-n-р –типа, включенного по схеме с общей базой (рис. 4.2).
Рисунок 4.2 – Принцип действия биполярного транзистора (р-n-р- типа)
Внешние напряжения двух источников питания ЕЭ и Ек подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П1 в прямом направлении (прямое напряжение), а коллекторного перехода П2 – в обратном направлении (обратное напряжение).
Если к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, а цепь эмиттера разомкнута, то в цепи коллектора протекает небольшой обратный ток Iко (единицы микроампер). Этот ток возникает под действием обратного напряжения и создается направленным перемещением неосновных носителей заряда дырок базы и электронов коллектора через коллекторный переход. Обратный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, −Ек. Величина обратного тока коллектора не зависит от напряжения на коллекторе, но зависит от температуры полупроводника.
При включении в цепь эмиттера постоянного напряжения ЕЭ в прямом направлении потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается. Начинается инжектирование (впрыскивание) дырок в базу.
Внешнее напряжение, приложенное к транзистору, оказывается приложенным в основном к переходам П1 и П2, т.к. они имеют большое сопротивление по сравнению с сопротивлением базовой, эмиттерной и коллекторной областей. Поэтому инжектированные в базу дырки перемещаются в ней посредством диффузии. При этом дырки рекомбинируют с электронами базы. Поскольку концентрация носителей в базе значительно меньше, чем в эмиттере, то рекомбинируют очень немногие дырки. При малой толщине базы почти все дырки будут доходить до коллекторного перехода П2. На место рекомбинированных электронов в базу поступают электроны от источника питания Ек. Дырки, рекомбинировавшие с электронами в базе, создают ток базы IБ.
Под действием обратного напряжения Ек потенциальный барьер коллекторного перехода повышается, толщина перехода П2 увеличивается. Но потенциальный барьер коллекторного перехода не создает препятствия для прохождения через него дырок. Вошедшие в область коллекторного перехода дырки попадают в сильное ускоряющее поле, созданное на переходе коллекторным напряжением, и экстрагируются (втягиваются) коллектором, создавая коллекторный ток Iк. Коллекторный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, -Ек.
Таким образом, в транзисторе протекает три тока: ток эмиттера, коллектора и базы.
В проводе, являющемся выводом базы, токи эмиттера и коллектора направлены встречно. Следовательно, ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: IБ = IЭ − IК.
Физические процессы в транзисторе типа n-р-n протекают аналогично процессам в транзисторе типа р-n-р.
Полный ток эмиттера IЭ определяется количеством инжектированных эмиттером основных носителей заряда. Основная часть этих носителей заряда достигая коллектора, создает коллекторный ток Iк. Незначительная часть инжектированных в базу носителей заряда рекомбинируют в базе, создавая ток базы IБ. Следовательно, ток эмиттера разделятся на токи базы и коллектора, т.е. IЭ = IБ + Iк.
Ток эмиттера является входным током, ток коллектора – выходным. Выходной ток составляет часть входного, т.е.
(4.1)
где a- коэффициент передачи тока для схемы ОБ;
Поскольку выходной ток меньше входного, то коэффициент a 0.
На эту кривую переносятся точки А, То и Б выходной рабочей характеристики, и получаются точки А1, Т1 и Б1 (рис. 4.8, б). Рабочая точка Т1 определяет постоянное напряжение базы UБЭП и постоянной ток базы IБП.
Сопротивление резистора RБ (обеспечивает работу транзистора в режиме покоя), через который от источника ЕК будет подаваться постоянное напряжение на базу:
(4.13)
В активном (усилительном) режиме точка покоя транзистора То находится примерно посередине участка линии нагрузки АБ, а рабочая точка не выходит за пределы участка АБ.
Читайте также: