Биполярные транзисторы. Структура. Принципы работы

а) Устройство и принцип действия.

БТ – это трёхслойная структура с чередованием p – и n – слоёв.

В зависимости от порядка чередования слоёв с p- и n- электропроводностью БТ делятся на два класса: n-p-n и p-n-p типа, как показано на рисунках 4.23 и 4.24. На границе слоёв образуются p-n переходы (два VD).

Центральный слой БТ называется «база». Внешний слева, который является источником носителей заряда (электронов или дырок) и, главным

а) структура; б) дискретный; в) интегральный; г) эквивалентная схема

Рисунок 4.23 – БТ типа n-p-n

образом, создает ток прибора, называется «эмиттером». Правый внешний слой, который принимает заряды от эмиттера, называется «коллектором».

На рис. 4.23, 4.24 приведены и эквивалентные схемы в виде двух диодов, которые включены встречно; из этой схемы видно, что без взаимодействия р-n

перехода «эмиттер – база» и р-n перехода «база – коллектор» БТ вообще

а)структура; б) дискретный; в) интегральный; г) эквивалентная схема

Рисунок 4.24 – БТ типа p-n-р

нетрудоспособен, т.к. сквозной ток протекать не может. Взаимодействие переходов обеспечивается технологическими особенностями исполнения этой трехслойной структуры – толщиной слоёв и количеством примесей в них (концентрацией носителей заряда).

Работа БТ основана на управлении токами электродов в зависимости от приложенных к его переходам напряжений. Когда U_бэ >0, переход ЭБ открыт и через него протекает ток базы .

Протекание тока базы приводит к инжекции (впрыск) зарядов из области коллектора в область базы, т.е. к появлению тока коллектора причем

, (4.1)

где β- коэффициент передачи тока базы.

Поскольку β>>1(10…100), то ток в силовой цепи .

б) Соотношения между токами в БТ.

Уравнение для токов транзистора в установившемся режиме имеет вид :

(4.2)

Связь между и характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера α, который показывает, какая часть полного тока через переход ЭБ достигает коллектора

(4.3)

Для современных транзисторов α=0,9….0,995.

Связь между α и β определена выражением:

(4.4)

Пример: α=0,97 тогда .

Режимы работы транзистора

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы (рабочие режимы):

- отсечки;

- линейный (усилительный);

- насыщения;

- инверсный.

Кроме этих режимов (рабочих), возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным – это режим пробоя. В этом режиме транзистор выходит из строя.

Режим отсечки

+ -

I_ко

R_к

Е_к

Е_э

Рисунок 4.25 – БТ в режиме отсечки

ЭБ – закрыт, т.к. U_эб >0

БК – закрыт, т.к. U_кб>0

Когда Е_э =0, то U_эб =0 – это граница режима отсечки (пассивная отсечка)

− тепловой (обратный) ток перехода.

Активный режим

- +

+ -

I_ко

R_к

Е_к

Е_э

I_оэ

I_бо

U_кб

Рисунок 4.26 – БТ в активном режиме

ЭБ – открыт , т.к. U_эб<0

БК – закрыт, т.к. U_кб>0

I_оэ, I_об, I_ок – токи покоя (рабочая точка)

− активный режим.

Режим насыщения

- +

+ -

I_кн

R_к

Е_к

Е_э

i_э

i_б

U_кб

U_эб

Рисунок 4.27 – БТ в режиме насыщения

ЭБ − открыт, т.к. U_эб<0

БК – должен быть открытым.

Для этого ток базы необходимо увеличить настолько, чтобы разность потенциалов U_кб 0, т.е. сопротивление участка r_кб 0. В этом случае ток в коллекторной цепи ограничивается только сопротивлением резистора R_к; это ток насыщения в коллекторной цепи

(4.5)

В этом режиме ток коллектора не управляется изменением тока базы.

Инверсный режим

БК – открыт, ЭБ – закрыт. По сути дела Э и К меняются местами. Этот режим используется в двунаправленных ключах.

Особенности (общие):

1. В усилителе активный режим является основным, а режимы отсечки и насыщения − его границы.

2. В цифровых (и импульсных) устройствах стационарное состояние соответствует либо режиму насыщения (логический 0) либо режиму отсечки (логическая 1). В активном режиме транзистор находится при переключении (переходе) схемы из 0 в 1, либо из 1 в 0; т.е. это переходной режим. Его еще называют ключевым режимом.

3. БТ типа p-n-p действует аналогично, только ток через прибор обусловлен, главным образом, дырками, а полярность подключения источников питания противоположна.

Основные схемы включения БТ

Как элемент ЭЦ, транзистор обычно используется так, что один из его электродов является входным, второй выходным, а третий – общим относительно входа и выхода. В цепь входа включается источник входного переменного сигнала (его надо усилить по мощности), а в цепь выходного – нагрузка, где выделяется усиленная мощность (переменного сигнала). В зависимости от того, какой электрод является общим, отличают схемы включения с ОБ, ОЭ и ОК (рис. 4.28)

U_вх

i_б

i_к

i_э

R_н

U_вх

i_э

i_б

R_н

i_к R_н

U_вх

i_э

i_б

R_н

i_к

ОБ

ОЭ

ОК

Рисунок 4.28 – Схемы включения БТ

Следует особо подчеркнуть, что схемы включения БТ рассматриваются для сигнала напряжения переменного тока (источник сигнала – идеальный источник напряжения – генератор U_с).

Различные схемы включения характеризуют коэффициенты передачи по току в статическом

(4.6)

и динамическом

(4.7)

режимах. Например, в статическом режиме:

- для схемы ОБ имеем ;

- для схемы ОЭ имеем ;

- для схемы ОК будет .

Как видно из этих соотношений, схемы ОЭ и ОК обеспечивают усиление по току.

Статические ВАХ для БТ

Статические в том смысле, что для БТ задаются фиксированные значения напряжения между электродами (или тока в одной из цепей) и находятся соответствующие им значения тока в другой цепи (или напряжения между другими электродами).

В основном используются входные и выходные ВАХ.

Например, для схемы ОЭ это будут

входная: , выходная: .

Задавая соответствующие значения параметров (U_кэ или I_б), получим семейства входных и выходных ВАХ.

а) входная; б) выходная

Рисунок 4.29 – ВАХ для БТ по схеме с ОЭ

Сравнивая статические ВАХ для БТ (по схеме ОЭ) с ВАХ гипотетического УЭ (рис. 4.21, 4.22), мы видим , что БТ далеко не идеальный УЭ по причинам:

1. Входная ВАХ – не прямая, а скорее ближе к экспоненте. Это исключает возможность усиления сигналов с малой амплитудой.

2. Выходные ВАХ начинаются не от оси I_к, из-за чего, при малых значениях U_кэ ток ,т.е. БТ теряет управляемость. Это режим насыщения (БЭ и БК – открыты, т.к. ).

3. Параметры БТ (т.е. и расположение его ВАХ) существенно зависят от температуры.

И все же БТ нашли широчайшее применение в компъютерной электронике, а их неидеальность компенсируется до необходимых значений соответствующими схемотехническими приёмами (чаще всего использованием обратных связей по постоянным и переменным токам и напряжениям).

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 622; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!