Ключевой режим работы биполярного транзистора

 

Схема с общим эмиттером с ключевым режимом работы транзистора применяется для промежуточного усиления, как схема сигнализации, как схема питания электромагнитного реле. Такая схема является основой интегральных логических элементов.

Свойства транзистора как усилителя тока описываются уравнением: I_к=h_21Э×I_б, где h_21Э>10. Из этого уравнения видно, что регулируя сравнительно небольшой ток базы, можно управлять значительным током нагрузки, расположенной в коллекторе транзистора. Максимальный ток коллектора, который можно получить в схеме с коллекторной нагрузкой, равен:

I_{к max}≈Uпит/R_к .

Максимальному току коллектора соответствует максимальный ток базы I_{б max}. Дальнейшее увеличение тока базы не приведет к увеличению тока коллектора, т.к. транзистор полностью открыт, падение напряжения на нем близко к нулю и он не определяет ток коллектора. Принято говорить, что он находится в состоянии насыщения. Это состояние характеризуется коэффициентом насыщения. Коэффициент насыщения характеризует превышение реального базового тока над требуемым. Он равен отношению I_б/I_{б max}. Его величина всегда больше единицы. Чем сильнее будет насыщен транзистор, тем меньше будет напряжение коллектор–эмиттер и тем меньше будут тепловые потери в транзисторе. Однако чрезмерное насыщение чревато большой неприятностью – в таком состоянии база транзистора накапливает большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора, когда прекращается ток базы. При выключении транзистора в цепь базы подается отрицательное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным I_{б выкл}. Пока происходит рассасывание неосновных носителей в базе, токи коллектора и базы не меняют своего значения, а транзистор находится в открытом состоянии. Это время называется временем рассасывания t_рас. После окончания процесса рассасывания происходит спад отрицательного тока базы и спад протекавшего через транзистор тока коллектора – время спада t_сп. Время выключения транзистора t_выкл равно:

t_выкл= t_рас+ t_сп.

Минимальное время выключения получается, если в базу транзистора до момента выключения подавался ток пограничного режима насыщения I_б≤I_{б max}.

Для объяснения ключевого режима работы используют выходные характеристики. В точке А транзистор выключен (или ключ разомкнут), в точке В транзистор включен (ключ замкнут). Чтобы получить точку В, необходимо обеспечить соответствующий ток базы.

В точке А:

Uкэ=Uп-Rк×Iко; Iк=Iко.

В точке В:

Uкэ»0,1В; Iк=(Uп-Uкэ)/Rк.

В расчетах обычно пренебрегают величинами Iко»0, Uбэ»0,6В и Uкэ»0,1В. Обычно в открытом состоянии транзистора ток Iк задан. Требуемый ток базы I_б=Iк/h_21Э обеспечивается базовой цепью

I_б =(Uб-Uбэ)/Rб.

Uбэ»0,6В, тогда

Rб=(Uб-0,6)/I_б;

Iк=(Uп-Uкэ)/Rк; Uкэ»0,1В.

Т. к. h_21Э может меняться от значений Iк, от температуры, от времени, то ток базы I_б приходится задавать с запасом. При расчете I_б исходят из величины h_21Эmin/(1,5...2). Число 1,5... 2 - это коэффициент насыщения.

Работу транзистора в точках А и В принято характеризовать следующими терминами:

точка А - состояние отсечки (отсечен ток коллектора);

точка В - состояние насыщения (транзистор открыт полностью).

Переход из состояния в состояние происходит скачком.

 

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

( или униполярные, или канальные транзисторы)

Биполярные транзисторы управляются током, полевые транзисторыуправляются напряжением. Различают следующие типы полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n переходом; полевые транзисторы с изолированным затвором.

      

Полевой транзистор с p-n переходом

Простейший полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой тонкую пластину полупроводникового материала (кремния) с одним p-n переходом в центральной части и с омическими контактами по краям. Обозначение выводов: С-сток, З-затвор, И-исток. Такой транзистор называется полевой транзистор с p-n переходом и каналом n-типа.

В зависимости от электропроводности полупроводника канал может быть n-типа или р-типа. Если подключить к каналу напряжение, то через пластину полупроводника между омическими контактами потечет ток. Ток через канал образуется за счет основных носителей. При n-канале - за счет электронов.

Омический контакт (электрод), от которого течет ток, называется истоком, а омический контакт, к которому он направлен, – стоком. Электрод, используемый для управления эффективной шириной канала, называется затвором. Межэлектродные напряжения сток – исток Uси и затвор – исток Uзи отсчитывают относительно истока. Управляющей цепью является цепь затвор-исток (З-И). Управляемой цепью является С-И, в которой регулируется ток.

С помощью Uзи регулируется ширина канала, его проводимость, ток через него. Управление током стока осуществляется путем подачи Uзи со знаком, обратным направлению проводимости p-n перехода. При подаче отрицательного напряжения на затвор в области p-n перехода образуется обедненный слой (как у диода, смещенного в обратном направлении). Чем шире обедненный слой, тем уже канал, по которому могут проходить электроны от истока к стоку, т.к. обедненный слой, лишенный свободных носителей, ведет себя как изолятор, имеющий очень большое сопротивление.

Можно подобрать такое напряжение на затворе (напряжение отсечки тока стока Uзи отс<0), при котором токопроводящий канал будет полностью ликвидирован, т.е. перекрыт и протекание тока через пластину невозможно. Толщина токопроводящего канала при отсутствии стокового напряжения (Uси=0) определяется формулой:

h’=h(1–( Uзи/Uзи отс)^1/2),

где h – технологическая толщина канала.

Сопротивление канала:

Rк=Rко/(1–( Uзи/Uзи отс)^1/2),

где Rко – сопротивление канала при Uзи=0.

Т.к. управление током через канал производится обратно включенным p-n переходом, то сопротивление участка затвор-исток оказывается очень большим. Оно соответствует сопротивлению полупроводникового диода, включенного в обратном направлении, что выгодно отличает данный полупроводниковый прибор от биполярного транзистора. Управление толщиной канала осуществляется обратным напряжением Uзи или, в конечном итоге, поперечным относительно направления тока через канал электрическим полем, что нашло отражение в названии – полевой транзистор. Применять прямое включение управляющего p-n перехода нецелесообразно, т.к. при этом резко возрастает ток через него и возрастает выделяемая на переходе ЗИ мощность (т.е. нагрев перехода).

В отличие от биполярного транзистора ток, текущий через полевой транзистор, образуется только основными носителями, поэтому такой транзистор называют еще униполярным. Он в меньшей степени подвержен влиянию температуры и радиации, т.к. этими факторами определяется концентрация неосновных носителей.

 

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 391; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!