1118

Биполярные транзисторы

Доклад

Физика

Принцип работы биполярного транзистора. Токи в транзисторе. Вольт–Амперные характеристики транзистора. Входные характеристики транзистора ОЭ. Эффект модуляции ширины базы. Выходные характеристики транзистора. Эквивалентная схема транзистора в h параметрах. Схема замещения транзистора в физических параметрах.

Русский

2013-01-06

125.5 KB

64 чел.

Биполярные транзисторы.

Эти транзисторы имеют в своей структуре два несимметричных  p-n перехода: эмиттерный и коллекторный. Их графическое изображение показано на рис.1.

                    а)                                                          б)

             Рис. 1 Графическое изображение транзисторов

  а)  прямой проводимости p - np,  б) обратной проводимости npn,

                               Б – база, К – коллектор, Э – эмиттер

При включении транзистора сделаем базу общим электродом для входа и выхода. Такое включение называется «с общей базой». Два перехода называются эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП). В зависимости от их состояния различают режим работы транзистора:

- активный, ЭП открыт, КП закрыт (применяется в усилителях);

- инверсный, ЭП закрыт, КП открыт (применяется в логических схемах );

- насыщения, оба переходы открыты (применяется в логических схемах );

- отсечка, оба перехода закрыты (применяется в аналоговых ключах).

               1.Принцип работы транзистора

Принцип работы транзистора разберем при активном режиме (рис.2).


                    Рис. 2. Принцип работы биполярного транзистора

Два источника Еэ и Ек обеспечивают нужное состояние переходов. Переходы  несимметричны, имеют различную концентрацию примесей: Nэ>Nк>Nб  (N – концентрация примеси 1/cм3).

Коллектор перехода закрыт, эмиттер перехода открыт. Через открытый эмиттерный переход начинается движение основных носителей, причем, так как дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, ток обеспечивается в основном дырками. Процесс внедрения неосновных носителей называется инжекцией. Дырки инжектируют в n базу и Iэ = (Iр + Iп) инжектир , Ip. инжектир >> Iп. инжектир. Для оценки эффективности эмиттерного перехода вводится коэффициент инжекции

γ=Ip инж/(Ip+In)инж . При несимметрии перехода  γ ≈ 1  и дырочный ток, вошедший в базу, Iр = Iэ γ . 

Таким образом, в  n базе  за эмиттерным переходом образуется большое количество неравновесных (неосновных) дырочных носителей. В базе у коллекторного перехода количество дырок будет гораздо меньше. Это неосновные носители. За счет разности концентраций дырок возникает градиент дырок dp/dx за счет которого они начнут двигаться по законом диффузии из того места, где их много (у эмиттера) в то место, где их мало (к коллекторному переходу). Это движение идет в области заполненной электронами  и существует вероятность встречи отрицательного электрона с положительной дыркой (рекомбинация). Для уменьшения потерь дырочных носителей база должна быть тонкой. Для оценки потерь вводится коэффициент переноса   ψ, равный отношению дырочного тока у коллекторного перехода к дырочному току у эмиттерного перехода. При тонкой базе коэффициент переноса ψ <1 и приблизительно ψ ≈ 1. С учетом этого процесса  ток дырок у коллекторного перехода равен Iр = Iэ · γ · ψ.

Далее дырки попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода, выводятся в область коллектора (экстракция) и создают коллекторный ток. В итоге имеем Iк = Iэ γ  ψ.  Произведение двух коэффициентов объединяют одним α= γ  ψ: α – коэффициент усиления по току в схеме «общая база», это важнейший усилительный параметр транзистора. Благодаря несимметрии эмиттерного  перехода и тонкой базе  α ≈ 0.99-0.999.

После данного разбора докажем способность транзистора усиливать сигнал. Напряжение на входе можно определить так, Uвх = Iэ · Rвх       Rвх – сопротивление открытого p-n перехода. Напряжение на выходе Uвых = Ik · Rвых ,       Rвых – выходное сопротивление соизмеримое по величине с сопротивлением закрытого коллекторного перехода теперь найдем коэффициент усиления по напряжению:

                           .         (1)

Так как Rвых>> Rвх получим Ku>>1, то – есть транзистор усиливает напряжение. Заметим, что при таком включении усиление тока не происходит, так как по причинам изложенным выше ток коллектора, хотя и не на много но меньше тока эмиттера. Отметим, что хороший транзистор должен иметь:

- примесей в эмиттере больше чем в коллекторе и базе,

- база должна быть тонкой, чтобы дырки в ней не рекомбинировали,

- коллектор должен быть больше по площади для эффективного сбора носителей.

Обратите внимание на то, что выходной коллекторный ток управляется небольшим базовым током. Это токовый принцип управления в биполярном транзисторе совершенно отличный от полевого принципа в полевом транзисторе.

2.Токи в транзисторе.

Здесь речь пойдет о составляющих компонентах токов, протекающих по электродам транзистора, Iэмиттера, Ikоллектора, Iбазы. Транзистор -  это трехполюсник и по закону Кирхгофа между токами следующая связь: Iэ = Iк + Iб . Из принципа действия следует, что самый большой ток идет по выводу эмиттера, самый маленький по выводу базы а ток коллектора немного меньше тока эмиттера.

Рассмотрим, какова природа всех токов.

1. Ток эмиттерного вывода состоит из суммы инжекционных токов; дырочного из эмиттера в базу и электронного из базы в эмиттер. Причем дырочный ток намного больше чем электронный.

2. Коллекторный ток состоит из двух составляющих.

- Ток экстракции дырочных носителей из n базы в коллектор, это полезная компонента равная  Iэγψ.

- Ток неосновных носителей закрытого коллекторного перехода Ik0.

Полный ток коллектора равен Iк= +Ik0Iэ+ Ik0.

3. Базовый ток состоит из трех составляющих.

Iб1 – рекомбинационная составляющая, это электронный ток для восполнения электронов потерянных при рекомбинации дырок в базе. Его величина определяется через коэффициенты инжекции и переноса, Iб2= Iэγ(1-ψ).

Iб2- обратный ток неосновных носителей закрытого коллекторного перехода. Его можно найти в справочниках по транзисторам с обозначением Ik0. Обратите внимание на то, что он имеет противоположное направление с Iб1.

Iб3 – это электронный ток инжекции из базы в эмиттер, совпадающий по направлению с Iб1. Его величина определяется коэффициентом инжекции,      

Iб3= Iэ(1-γ).

Определим суммарный базовый ток:

Iб= Iб1+ Iб3- Iб2= Iэ(1-γ)+ Iэ(1-ψ)γ- Ik0= Iэ- Iк;       (2)

это основное соотношение токов в транзисторе.

         3. Вольт – Амперные характеристики транзистора.

Существует три схемы включения транзистора в зависимости от того, какой его вывод является общим для входа и выхода (Рис. 3).

              а)                                         б)                                            в)

                         Рис. 3 Схемы включения  транзистора:

              а) с общим эмиттером (ОЭ), б) с общей базой (ОБ),

                            в) с общим коллектором (ОК).

       Входные и выходные выводы в этих схемах разные, разными будут и характеристики. В общем случае они представлены двумя семействами : входные характеристики, Iвх=f(Uвх, Uвых), и выходные Iвых=f(Iвх, Uвых).

Наиболее распространенной схемой включения является  ОЭ. Установим для этой схемы зависимость тока коллектора (выходного):

 Ik = α · Iэ + Ik0=α · (Ik + Iб) + Ik0, отсюда

                                                      (3),

Выражение - коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ,>>1. Такое включение дает усиление по току в отличии от схемы ОБ.

Выражение , которое так же намного больше единицы, свидетельствует о том, что доля неуправляемого тока в коллекторе ()  больше, чем в схеме ОБ . Это серьезный недостаток с которым приходится считаться в схемотехнике.

Построим входные характеристики. Это семейство Iб=f(Uб-э) при

Uк-э=const. Их вид показан на рис. 4 .

 

 

  Рис.4 Входные характеристики транзистора ОЭ.

Объяснить их вид можно следующими причинами.

  1.  Напряжение Uбэ или Uэб прямое напряжение открывающее эмиттерный переход и не может быть большим. Его величина лежит в пределах 0 -0.8В. пороговое напряжение это то, при котором появляется базовый ток. Для германиевых транзисторов небольшой мощности Uпор≈0.3-0.5В., для  кремниевых - Uпор≈0.4-0.7В.
  2.  Базовый ток это одна из составляющих эмиттерного тока, тока открытого эмиттерного перехода. Поэтому его изменение напоминает поведение тока  открытого   перехода, но величина на несколько порядков меньше и составляет единицы и десятки микроампер.
  3.  При отсутствии напряжения на базе ток базы не равен нулю (на характеристиках не показан). Это ток неосновных носителей коллекторного перехода Iк0 .
  4.  На семействе характеристик проявляется эффект модуляции ширины базы (эффект Эрли). База транзистору тонкая и образует p-n переход с областью коллектора. При подаче обратного напряжения на коллектор происходит расширение перехода в область базы (рис. 5),Δ`> Δ.

                   

                        Рис. 5 Эффект модуляции ширины базы

    Напомним, что физическая толщина Δ определяется так:

                                             (4).

    В результате этого база становится еще тоньше. В тонкой базе уменьшается вероятность рекомбинации носителей и стало быть уменьшается рекомбиционная составляющая базового тока. Следовательно, при увеличении напряжения на коллекторе ток базы должен уменьшаться, что и показано на рис. 4.  Это очень принципиальное и важное обстоятельство. Оказывается, в транзисторе в принципе существует паразитная обратная связь; изменение выходного напряжения приводит к изменению входного тока (а, следовательно, и входного напряжения). Это обстоятельство приводит к неустойчивой работе транзисторных усилителей. Проектируя усилитель, мы можем получить генератор.

Поэтому в структуре транзистора приняты меры по уменьшению модуляции ширины базы и для транзисторов приведенных в справочниках показана, как правило, одна входная характеристика при Uкэ≠0, которая справедлива для всей рабочей области, и другая     при Uкэ=0, которая не рабочая.

                  Выходные характеристики транзистора показаны на рис. 6. это семейство Iк=f(Uкэ ) при Iб=const.

              Рис. 6. Выходные характеристики транзистора

        Будем исходить из основного уравнения токов для включения транзистора ОЭ: .

   - Очевидно, чем больше базовый ток, тем больше и коллекторный. При отсутствии базового тока по коллектору протекает неуправляемый ток (β+1)∙Ik0. Наличие его ведет к отрицательным последствиям. При изменении температуры кристалла транзистора увеличивается  ток Iк0, его значение усиливается  (β+1) раз и характеристики смещаются вверх, работа схемы ухудшается. Заметим, что неуправляемая составляющая тока коллектора при включении ОЭ в (β+1) раза больше, чем в схеме ОБ.

Таким образом,  схема ОБ обладает большей температурной стабильностью.

- При больших напряжениях на коллекторе может наступить явление пробоя и эта область не рабочая. Не рабочая область так же и при малых коллекторных напряжениях. Здесь характеристики как бы сливаются, база теряет свои управляющие свойства. Маленькое обратное напряжение на коллекторе приводит к открыванию коллекторного перехода, это режим насыщения при котором оба перехода транзистора открыты.

-  Наклон любой характеристики транзистора больше, чем у отдельно взятого диода. Объяснение этому следующее. За счет эффекта Эрли, уменьшается рекомбинация, большее количество носителей доходит до коллектора и ток коллектора растет быстрее, чем в отдельно взятом диоде.

- На характеристиках имеется рабочая область, область эффективного управления током коллектора. Слева она ограничена областью насыщения, справа пробоем, снизу неуправляемым током коллектора, а сверху одним из паспортных параметров транзистора -  допустимой мощностью рассеиваемой коллектором транзистора Pк.

Сложные, нелинейные вольтамперные характеристики транзистора заставили ввести простые параметры, которые не столь строго и универсально отражают его свойства, но удобны для оценки его работы. Таких систем параметров несколько.

При малых сигналах можно не учитывать нелинейность характеристик, при таком допущении связи между всеми токами и напряжениями будут линейными и транзистор можно заменить линейным четырехполюсником (рис. 7).

 

Рис.7  Транзистор как четырехполюсник

Его описание – система алгебраических уравнений, в которой два зависимых параметра (функции) и два независимых (аргументы). Если принять зависимыми  входное напряжение Uвх и выходной ток  Iвых, то вводится система малосигнальных h параметров и система уравнений будет следующая:

Uвх =  h11Iвх+  h12Uвых

 Iвых =  h21Iвх+  h22Uвых (5).

Здесь под токами и напряжениями следует понимать довольно малые приращения ΔUвх, ΔUвых, ΔIвх, ΔIвых, малые настолько, что нелинейность характеристик не проявляется.

Смысл h – параметров следующий.

, входное сопротивление, определяется при коротком замыкании на выходе. В схеме ОЭ для маломощных транзисторов имеет величину 50 – 5000 Ом.

В схеме ОБ его величина на несколько порядков меньше.

Коэффициент обратной связи , безразмерный параметр, свидетельствующий об обратной связи в транзисторе за счет эффекта Эрли. Его величина в схеме ОЭ 10-4 – 10-6 , определяется при разомкнутой цепи по входу (холостой ход).

В схеме ОБ его величина на несколько порядков меньше, поэтому транзистор работает более устойчиво и такое включение часто применяют на высоких частотах.

Коэффициент усиления по току , важнейший параметр, определяется при коротком замыкании на выходе. В схеме ОЭ это β=50 – 500, в схеме ОБ α= 0.99 – 0.999.

Выходная проводимость , измеряется в Сименсах. В схеме ОЭ 10-3 – 10-4, в ОБ – 10-5 – 10-6. Определяется при разомкнутом входе.

   -Схемы ОБ, ОЭ, ОК имеют различные значения h параметров.

   - Указанные параметры завися от токов и напряжений поданных на транзистор, от температуры и от рабочей частоты. В последнем случае они комплексные.

Необходимые приращения тока и напряжения для определения h параметров можно определить по входным и выходным характеристикам.

 

Рис. 8. Определение h параметров по характеристикам.

Все необходимые приращения тока показаны на рис. 8 и тогда для включения ОЭ имеем.

По входным характеристикам

 .

Следует иметь в виду, что при слившихся характеристиках параметр h12=0.

По выходным характеристикам

                                  .

Линейная схема замещения транзистора при малых сигналах посредством h параметров приведена на рис. 9.

       Рис. 9. Эквивалентная схема транзистора в h параметрах

Система h параметров не единственная. Существует в принципе шесть вариантов определения задания зависимых и независимых переменных и столько же систем параметров, но не все они получили практическое применение. На высоких частотах трудно получить режим холостого хода, то есть режим чисто разомкнутого электрода; мешает монтажная емкость , емкость самого вывода относительно общего электрода. Поэтому в этом случае параметры желательно определять только в режиме короткого замыкания, для этого применяют систему «y»-параметров;

                             Uвх=y11Iвх+y12Iвых, 

                             Uвых=y21Iвх+y22Iвых.

Все параметры имеют размерность проводимости и следующий смысл;

y11 – входная проводимость,  y12 – проводимость обратной связи, y21 – крутизна, y22 – выходная проводимость.

Находит применение и физическая система параметров. Её название объясняется тем, что в основе лежит физическая структура транзистора – его три области, эмиттер , коллектор и база. Приведем физические параметры  при включении транзистора по схеме ОБ. Начнем сначала. Область эмиттера – самая низкоомная область, так как насыщена примесями. За ней по пути тока идет открытый эмиттерный переход так же обладающий низким сопротивлением. Таким образом, эти области можно отразить довольно малым сопротивление rэ (для маломощных транзисторов rэ 5 -50 Ом). Далее по пути тока расположена область тонкой базы, в которой примесей мало и , следовательно, ее сопротивление заметнее. Это rб, величина которого 100 – 1000 Ом. И, наконец, ток входит в коллектор, по пути носители проходят закрытый коллекторный переход, да и сама коллекторная область достаточно высокоомная. Отразим это сопротивлением rк 10000 – 100000 Ом. Получилась схема состоящая из пассивных элементов и не способная усиливать сигнал. Чтобы не потерялась суть транзистора ее необходимо дополнить генератором тока αIэ. Схема замещения транзистора  показана на рис. 10.

Рис. 10 Схема замещения транзистора в физических параметрах


К

Б

К

Э

Б

Э

ЭП      КП

 Rэ       Э       К           Ik

   р+                      n            p

  Uвх                 Б           Rк

           Iэ

        Iб3+Iб1                  Uвых

             Iб2

        +       -           +       -

           Eэ                Ek

-

+

+

+

-

+

Вых

Вх

х

Вых

Вх

Вых

Iб 

        Uкэ = -5 В

          Uкэ = -10В

         Uбэ

         КП

    n                                              p

База                                   Коллектор

         Uk

                                

          ∆’

     Ik

  Рабочая область                    Токи базы

          40

          30

     

          20

    Iб = 10мкА                 пробой

    

                 Uкэ

   Iб=0, (β+1)∙Ik0

Uвх

Iвх

Uвых

Iвых

Вх      Вых

 h11     Iвхh21

        h22

      

  h12 Uвых

~

          α Iэ

             rэ                          rк

Э         К

  rб

  Б


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39138. Параметры, характеризующие гидродинамическое совершенство скважины 167.5 KB
  Губкина Кафедра бурения нефтяных и газовых скважин Реферат по теме: Параметры характеризующие гидродинамическое совершенство скважины Гидродинамическое совершенство скважин. В промысловой практике для эффективного планирования и регулирования процесса разработки месторождения необходимо знать потенциальные возможности каждой скважины. Приток жидкости или газа в реальную скважину отличается от притока в гидродинамически совершенную скважину тем что в призабойной зоне и на забое скважины возникают дополнительные фильтрационные сопротивления...
39139. Процессы в призабойной зоне пласта 457.5 KB
  От состояния призабойной зоны пласта существенно зависит эффективность разработки месторождения дебиты добывающих скважин приемистость нагнетательных и уровень затрат пластовой энергии на преодоление гиродинамических сопротивлений потоку флюидов. Очень важно сохранить ПЗП в таком состоянии чтобы энергия расходуемая на преодоление фильтрационных сопротивлений ПЗП была бы достаточно мала как при отборе жидкости из пласта так и при нагнетании в пласт.Состояние призабойной зоны пласта в процессе заканчивания скважины.
39140. Адаптивная система автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей 165.5 KB
  Поэтому в диссертации решается научнотехническая задача призванная обеспечить повышение техникоэксплуатационных защитных и потребительских свойств электромеханических систем вспомогательного электрооборудования автомобилей обеспечивающих комфортабельность активную и пассивную безопасность автомобиля за счет улучшения свойств системы управления. Решение данной задачи осуществляется при неопределенных значениях внутренних параметров объекта управления таких как конструктивный параметр магнитной системы сопротивление якорной цепи...
39141. Разработка адаптивной системы автоматического управления электроприводами вспомогательного электрооборудования автомобилей 11.82 MB
  Постановка задач исследования Обзор электронных систем управления. Принципы построения адаптивных систем автоматического управления. Анализ разработок адаптивных систем автоматического управления двигателем постоянного тока в приводах вспомогательного электрооборудования автомобиля.
39142. Повышение эффективности диагностирования изделий имеющих активно-индуктивную нагрузку в электрооборудовании автомобилей 254.5 KB
  Однако в условиях массового производства автомобилей когда производительность лимитирована ритмом сборочного конвейера в виду длительности процесса диагностирования всего комплекса автомобильного электрооборудования сплошной выходной контроль его качества существенно затруднен. Таким образом становится актуальной важная научнотехническая задача повышения качества и оперативности диагностирования автомобильного электрооборудования имеющего активноиндуктивную нагрузку решение которой позволит ввести сплошной выходной контроль в массовом...
39143. Оптимизация комбинированной энергетической установки электротранспортного средства 358 KB
  Прежде всего это ограниченный пробег без подзарядки бортового источника энергии. Поэтому актуальной является проблема оптимизации параметров бортовой энергоустановки в том числе совместным применением накопителей энергии различной физической природы в ее составе. Таким образом становится актуальной важная научнотехническая задача повышения энергоэффективности тяговой системы этого транспортного средства решение которой существенно повысит эффективность использования ограниченного запаса энергии на борту внося заметный вклад в...
39144. ИСТОКИ ТОТАЛИТАРИЗМА 100.5 KB
  ИСТОКИ ТОТАЛИТАРИЗМА Тоталитарные движения возможны везде где имеются массы по той или иной причине приобретшие вкус к политической организации. Массы держит вместе не сознание общих интересов и у них нет той отчетливой классовой структурированности которая выражается в определенных ограниченных и достижимых целях. Термин массы применим только там где мы имеем дело с людьми которых в силу либо просто их количества либо равнодушия либо сочетания обоих факторов нельзя объединить ни в какую организацию основанную на общем интересе в...
39145. ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 9.88 MB
  В зависимости от физической сущности моделируемого объекта или процесса и характера этого процесса могут использоваться законы распределения непрерывных или дискретных случайных величин. Естественно что при формировании вероятностностатистических моделей широко используются законы распределения случайных величин и правила оперирования с ними определяемые теорией вероятности и статистическими методами анализа. Формирование...
39146. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 1.47 MB
  Объектом управления является изделие ЛА, техническое состояние которого определяется параметрами , изменение которых во времени представляет собой монотонную случайную функцию времени t (рис. 3.1). Установлены предельно допустимые значения параметров , пересечение которых реализациями случайной функции означает отказ.