89397

Классификация, устройство, принцип работы, параметры и характеристики биполярного транзистора

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Классификация Первый элемент цифра или буква обозначает исходный полупроводниковый материал на основе которого изготовлен транзистор второй элемент буква определяет подкласс или группу транзисторов третий цифра основные функциональные возможности транзистора четвертый число обозначает порядковый номер разработки технологического типа транзистора пятый буква условно определяет классификацию по параметрам транзисторов изготовленных по единой технологии. В качестве дополнительных элементов обозначения используют следующие...

Русский

2015-05-12

260.43 KB

0 чел.

Классификация, устройство, принцип работы, параметры и характеристики биполярного транзистора.

Классификация

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор, второй элемент (буква) определяет подкласс (или группу) транзисторов, третий (цифра) — основные функциональные возможности транзистора, четвертый (число) — обозначает порядковый номер разработки технологического типа транзистора, пятый (буква) — условно определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Для обозначения исходного материала используются следующие символы:

Г, или 1, — германий или его соединения;

К, или 2, — кремний или его соединения;

А, или 3, — соединения галлия (арсенид галлия);

И, или 4, — соединения индия.

Для обозначения подклассов используется одна из двух букв: Т — биполярные и П — полевые транзисторы.

Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков транзисторов применяются следующие цифры:

для транзисторов малой мощности (максимальная мощность, рассеиваемая транзистором, не более 0,3 Вт):

1 — с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой (далее граничной частотой) не более 3 МГц;

2-с граничной частотой 3...30 МГц;

3-с граничной частотой более 30 МГц;

для транзисторов средней мощности (0,3...1,5 Вт):

4— с граничной частотой не более 3 МГц;

5— с граничной частотой З...ЗО МГц;

6— с граничной частотой более 30 МГц;

для транзисторов большой мощности (более 1,5 Вт):

  1.  — с граничной частотой не более 3 МГц;
  2.  — с граничной частотой 3...30 МГц;
  3.  — с граничной частотой более 30 МГц.

Для обозначения порядкового номера разработки используют двузначное число от 01 до 99. Если порядковый номер разработки превышает число 99, то применяется трехзначное число от 101 до 999.

В качестве классификационной литеры применяются буквы русского алфавита (за исключением 3, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Э).

Стандарт предусматривает также введение в обозначение ряда дополнительных знаков. В качестве дополнительных элементов обозначения используют следующие символы:

цифры от 1 до 9 — для обозначения модернизаций транзистора, приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров;

буква С — для обозначения наборов в общем корпусе (транзисторные сборки);

цифра, написанная через дефис, для бескорпусных транзисторов:

1—с гибкими выводами без кристаллодержателя;

2 — с гибкими выводами на кристаллодержателе;

3—с жесткими выводами без кристаллодержателя;

  1.  — с жесткими выводами на кристаллодержателе;

5— с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов;

6— с контактными площадками на кристаллодержателе, но без выводов.

КТ937А-2 — кремниевый биполярный, большой мощности, высокочастотный, номер разработки 37, группа А, бескорпусный, с гибкими выводами на кристаллодержателе.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока.

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.

Устройство и основные физические процессы

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (р-п-р или п-р-п) и соответственно два p-n-перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором.

Дадим схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа п-р-п (рис. 1.51, а) и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 1.51, б).

Транзистор типа р-п-р устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 1.52, а, более простой вариант условного графического обозначения — на рис. 1.52, б.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

Транзисторы типа п-р-п более распространены в сравнении с транзисторами типа р-п-р, так как обычно имеют лучшие параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в электрических процессах в транзисторах типа п-р-п играют электроны, а в транзисторах типа р-п-р — дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественное своеобразие структуры транзистора. Для определенности обратимся к транзистору типа п-р-п. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n-перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 1.53.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 1.54).

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20—30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

Характеристики и параметры

Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики.

Схема с общей базой. Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с общей базой, так как база является общим электродом для источников напряжения. Изобразим ее с использованием условного графического обозначения транзистора (рис. 1.56).

Транзисторы традиционно характеризуют их так называемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока iэ от напряжения и6э при заданном напряжении ик6, т. е. зависимость вида

где f-некоторая функция.

Входной характеристикой называют и график соответствующей зависимости (это справедливо и для других характеристик).

Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока  iк от напряжения икб при заданном токе iэ, т. е. зависимость вид

где f— некоторая функция.

Входные характеристики для схемы с общей базой. Каждая входная характеристика в значительной степени определяется характеристикой эмиттерного перехода и поэтому аналогична характеристике диода. Изобразим входные характеристики кремниевого транзистора КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора — 300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор-база — 30 В при t < 70° С) (рис. 1.57) . Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения икб объясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта модуляции толщины базы).

Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения икб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n-переход). Если концентрация атомов примеси в базе меньше концентрации атомов примеси в коллекторе, то расширение коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопротивления приводит к тому, что при неизменном токе iэ напряжение ибэ уменьшается. Как было отмечено при рассмотрении диода, при малом по модулю обратном напряжении на р-n-переходе это напряжение влияет на ширину перехода больше, чем при большом напряжении. Поэтому различные входные характеристики, соответствующие различным напряжениям икб, независимо от типа транзистора практически сливаются, если икб > 5 В (или даже если икб > 2 В).

Входные характеристики часто характеризуют дифференциальным сопротивлением гдиф, определяемым аналогично дифференциальному сопротивлению диода.

Теперь

Выходные характеристики для схемы с общей базой. Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.58).

Как уже отмечалось, если коллекторный переход смещен в обратном направлении (икб > 0), то ток коллектора примерно равен току эмиттера: iк ~ iэ. Это соотношение сохраняется даже при икб = 0 (если ток эмиттера достаточно велик), так как и в этом случае большинство электронов, инжектированных в базу, захватывается электрическим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.

Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении (икб < 0), ток коллектора становится равным нулю, так как при этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу (или дырок из базы в коллектор). Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор тех электронов, которые были инжектированы эмиттером. Ток коллектора становится равным нулю при выполнении условия икб < 0,75 В.

Режим, соответствующий первому квадранту характеристик (икб > 0, iк > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (икб < 0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.

Обратный ток коллектора 1ко мал (для КТ603А 1ко < 10 мкА при t < 25°С). Поэтому выходная характеристика, соответствующая равенствам /э = 0 и iK— аст • /э + 1ко= 1ко, практически сливается с осью напряжений.

При увеличении температуры ток /ко возрастает (для КТ603 1ко ~ 100 мкА при t < 85° С) и все выходные характеристики несколько смещаются вверх.

Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током 1ко, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вблизи оси напряжений называют областью отсечки.

В активном режиме напряжение икб и мощность рк = = iK • ик6, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не перегрелся, должно выполняться неравенство

Рк к макс

где Ркмакс — максимально допустимая мощность (для КТ603А Ркмаке =500 мВт при t < 50° С).

График зависимости iK = Ркмакс,/икб (гипербола) изображен на выходных характеристиках пунктиром.

Таким образом, в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, в режиме отсечки коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный или смещен в обратном направлении, или находится под очень малым прямым напряжением.

Транзистор часто характеризуют так называемым дифференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока а, который определяется выражением

Для приращения тока коллектора Аiк и приращения тока эмиттера Аiэ можно записать:

Коэффициент а несколько изменяется при изменении режима работы транзистора. Важно учитывать, что у различных (вполне годных) экземпляров транзистора одного и того же типа коэффициент а может заметно отличаться. Для транзистора КТ603А при t = 25° С а = 0,909 ... 0,988.

Наличие наклона выходных характеристик, отражающее факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера при увеличении напряжения ик6, объясняется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектированных эмиттером, переходит в коллектор.

Наклон выходных характеристик численно определяют так называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода:

С учетом эффекта Эрли :

Схема с общим эмиттером. Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующими схеме, представленной на рис. 1.59. Эту схему называют схемой с общий эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.

Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока iб от напряжения ибэ при заданном напряжении икэ, т. е. зависимость вида

где f— некоторая функция.

Выходной характеристикой называют зависимость тока iк от напряжения икэ при заданном токе i6, т. е. зависимость вида

КТ603А

где f— некоторая функция

Очень важно уяснить следующих два факта.

  1.  Характеристики для схемы с общим эмиттером не отражают никакие новые физические эффекты по сравнению с характеристиками для схемы с общей базой и не несут никакой принципиально новой информации о свойствах транзистора. Для объяснения особенностей ха-
    рактеристик с общим эмиттером не нужна никакая информация кроме той, что необходима для объяснения особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не менее характеристики для схемы с общим эмиттером очень широко используют на практике (и приводят в
    справочниках), так как ими удобно пользоваться.
  2.  При расчетах на компьютерах моделирующие программы вообще никак не учитывают то, по какой схеме включен транзистор. Программы используют математические модели транзисторов, являющиеся едиными для всевозможных схем включения. Тем не менее, очень полезно уметь определить тип схемы включения транзистора. Это облегчает понимание принципа работы схемы.

Входные характеристики для схемы с общим эмиттером. Изобразим характеристики уже рассмотренного транзистора КТ603А (рис. 1.60). Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения икэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером. Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.61):

Обратимся к ранее полученному выражению

В соответствии с первым законом Кирхгофа

и с учетом предыдущего выражения получим

откуда

Введем обозначение: 

Коэффициент βст называют статическим коэффициентом передачи базового тока. Его величина обычно составляет десятки — сотни (это безразмерный коэффициент).

Легко заметить, что

Введем обозначение     

В итоге получаем

Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.

Для учета наклона выражение записывают в виде

В первом приближении r`к = (1/1+βcт) • rк (сопротивление rк определено выше).

Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока β.

По определению

Для приращения тока коллектора Δiк и тока базы Δiб
можно записать:

Для транзистора КТ603А при t = 25°С B = 10...80.

Величина B зависит от режима работы транзистора. Приведем типичный график зависимости B от тока эмиттера (он практически равен току коллектора) для икб = 2 В (рис. 1.62).

Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного выше условия рк < Рк.макс, должны выполняться условия

                                            1к < 1кмакс и икэ  Uкэ.макс,,

где 1кмакс и икэ.макс — соответственно максимально допустимый постоянный ток коллектора и максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.

Для рассмотренного выше транзистора К.Т603А 1кмак = 300 мА, Uкэ.макс= 30 В (при

t < 70° С).

Изобразим схематически на выходных характеристиках для схемы с общим эмиттером так называемую область безопасной работы, в которой указанные условия выполняются (рис. 1.63).

Обычно допустимо предполагать (с той или иной погрешностью), что выходные характеристики для схемы с общим эмиттером расположены на отрезках прямых, расходящихся веерообразно из одной точки на оси напряжений (рис. 1.64).

Напряжение Uэ (это положительная величина) называют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А Uэ ~ 40 В.

Инверсное включение транзистора. Иногда транзистор работает в таком режиме, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер —роль коллектора. Это так называемый инверсный режим. Ему соответствует так называемый инверсный коэффициент передачи базового тока Bi.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9083. Предмет и функции философии, Мировоззрение и его структура 30.75 KB
  Предмет и функции философии. Возникновение философии означало появление особой духовной установки - поиска гармонии знаний о мире с жизненным опытом людей, с их верованиями, идеалами надеждами. Универсализм и субстанционализм характеризу...
9084. Особенности мифологического мировоззрения 19.16 KB
  Особенности мифологического мировоззрения Мифология (от греч. mythos - предание, сказание и logos - слово, понятие, учение) - тип сознания, способ понимания мира, характерный для ранних стадий развития общества. Мифы существовали у всех народов мира...
9085. Структура философского знания. Философия и наука - сходство и различие 19.88 KB
  Структура философского знания. Философия и наука - сходство и различие. Сущность и специфика философского знания Основная специфика философского знания заключается в его двойственности, так как оно: имеет очень много общего с научным знанием...
9086. Религиозное мировоззрение и его особенности 18.07 KB
  Религиозное мировоззрение и его особенности. Религия - мировоззрение и мироощущение, а также соответствующее поведение и специфические действия людей, которые основываются на вере в сверхъестественное (богов, высший разум, некий абсолют и т.д..
9087. Мировые религии - причины возникновения и сущность 36.67 KB
  Мировые религии – причины возникновения и сущность. Формирование монотеизма: Монотеизм (от греч. - один) - религиозное представление и учение о едином Боге  Монотеизм противоположен политеизму (многобожию). Характерен прежде всего...
9088. Философское мировоззрение, его особенности. Исторические типы философского мировоззрения 65.95 KB
  Философское мировоззрение, его особенности. Исторические типы философского мировоззрения. философское мировоззрение - это теоретический уровень мировоззрения, это наиболее систематизированное, максимально рационализированное мировоззрение...
9089. Средневековая философия: теоцентризм 121 KB
  Средневековая философия: теоцентризм Если греческая философия выросла на почве античного рабовладельческого общества, то философская мысль средних веков принадлежит к эпохе феодализма (V-XV века). Однако неверно было бы представлять себе дело так, ч...
9090. Философия эпохи Возрождения: антропоцентризм 73 KB
  Философия эпохи Возрождения: антропоцентризм Начиная с XIV-XV веков в странах Западной Европы происходит целый ряд изменений, знаменующих начало новой эпохи, которая вошла в историю под именем Возрождения. Эти перемены были связаны прежде всего с пр...
9091. Античная философия: космоцентризм 143 KB
  Античная философия: космоцентризм. Космологизм ранней греческой философии Спецификой древнегреческой философии, особенно в начальный период ее развития, является стремление понять сущность природы, космоса, мира в целом. Не случайно первых греческ...