Устройство биполярного транзистора.

Стр 1 из 7Следующая ⇒

Л. Транзисторы БП и ПТ. Устройство БТ. Структура и принцип действия БТ. Режимы работы. Схемы включения. Коэффициенты передачи токов в статическом режиме. Модель Эберса-Молла. Статические характеристики. Зависимость от температуры. Приближенный расчет БТ в режиме малого сигнала. Снятие ВАХ в Microcap, з-ны Ома, Кирхгофа

Транзистор – электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор позволяет регулировать силу электрического тока подобно тому, как водяной кран регулирует поток воды. Отсюда следуют две его основные функции в электрической цепи - это усилитель и переключатель.

Линейный режим Ключевой режим

Для описания работы этого прибора лучше подойдет название «переменное сопротивление», поскольку в электронной цепи транзистор ведет именно так. Только, если у переменных резисторов меняют сопротивление с помощью механического воздействия, то у транзистора его меняют посредством напряжения, которое подается на один из электродов прибора.

Существует бесконечное множество разных типов транзисторов – от огромных усилителей высокой мощности размером с кулак, до миниатюрных переключателей на кристалле процессора размером в десятки нанометров (в одном метре 10⁹ нанометров).

Обозначения и типы транзисторов.

Устройство и обозначение транзисторов разделяют на две большие группы. Первая – это биполярные транзисторы (БТ) (международный термин – BJT, Bipolar Junction Transistor). Вторая группа – это униполярные транзисторы, еще их называют полевыми (ПТ) (международный термин –FET, Field Effect Transistor). Полевые, в свою очередь, делятся на транзисторы с PN-переходом (JFET - Junction FET) и с изолированным затвором (MOSFET- Metal-Oxide-Semiconductor FET) .

Применение биполярных транзисторов.На сегодняшний день биполярные транзисторы получили самое широкое распространение в аналоговой электронике. Чаще всего их используют в качестве усилителей в дискретных цепях (схемах, состоящих из отдельных электронных компонентов). Отдельные БТ используются совместно с интегральными (состоящими из многих компонентов на одном кристалле полупроводника) аналоговыми и цифровыми микросхемами, если нужно усилить слабый сигнал на выходе из интегральной схемы, обычно не располагающей высокой мощностью.

Применение полевых транзисторов.В области цифровой электроники полевые транзисторы, а именно полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), практически полностью вытеснили биполярные благодаря многократному превосходству в скорости и экономичности. Внутри архитектуры логики процессоров, памяти, и других различных цифровых микросхем, находятся сотни миллионов, и даже миллиарды MOSFET, играющих роль электронных переключателей.

Биполярный транзистор - называется так, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока - основной "большой" ток, и управляющий "маленький" ток.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым (переход эмиттер-база (ЭБ)), а второй (база-коллектор (БК) — с обратным смещениями. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных анодами или катодами.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база. Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер. Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. Полупроводники по краям базы транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера и по-другому легирован. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого в виде монокристалла, материалы транзистора содержат в своей конструкции легирующие добавки, металлические выводы, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда описываются материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»). Сегодня БТ выпускаются на основе кремния, арсенида галлия. Первые транзисторы были из германия и имели структуру p-n-p, что объяснялось возможностями технологий того времени. Однако германий – редкий элемент и может работать до температуры 85 (против 150 у кремния), поэтому сейчас не используется. (Хотя электрические свойства его лучше: - подвижность электронов и дырок, продолжительность жизни электронов, длина свободного пробега электронов и дырок значительно выше, ширина запрещенной зоны уже (0,72 против 1,1В), температура плавления ниже (937град. против 1420) у германия, чем у кремния).

В основе работы транзистора лежит инжекция и экстракцияносителей тока. Если к р-n-переходу приложена внешняя разность потенциалов в прямом (пропускном) направлении, под действием этой разности потенциалов дырки переходят из полупроводника р в полупроводник n, электроны из n- в р-, и в цепи возникает ток J, идущий слева направо. Дырки, перешедшие в полупроводник n, являются для него не основными носителями (основные носители в n- области - электроны; в р- области - дырки). Встречаясь с электронами, они рекомбинируют. Точно так же электроны, перешедшие в полупроводник р, являются для него неосновными носителями и, в конце концов, рекомбинируют с дырками.

Процесс рекомбинации носителей тока протекает не мгновенно и у границы p-n-перехода происходит накопление неосновных носителей: в электронном полупроводнике - накопление дырок, в дырочном полупроводнике - электронов. Происходит, как бы, "впрыскивание" электронов в граничный слой полупроводника р и дырок в граничный слой полупроводника n, что и получило название инжекции носителей.

Эмиттером называют область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является собирание (экстракция) носителей заряда из базы. А базой является область, которая управляет движением инжектируемых эмиттером зарядов.

Эмиттерный переход работает в прямом направлении, ток в другой (коллекторный) переход образуется в результате «транзисторного» эффекта (получен Бардиным и Браттейном в 1947, объяснен У. Шокли в 1948-50 гг.).

P-N-P: Полярность внешних источников Е_Б и Ек выбирается такой, чтобы на эмиттером переходе было прямое напряжение (минус источника Е_Б подан на базу, плюс — на эмиттер), а на коллекторном переходе — обратное напряжение (минус источника Ек—на коллектор, плюс—на эмиттер), причем напряжение |U_кэ|>|U_бэ| (напряжение на коллекторном переходе U_кб= U_кэ-U_бэ

При таком включении источников Е_Б и Ек распределение потенциалов в транзисторе имеет вид, показанный на рис. б сплошной линией. Потенциальный барьер эмиттерного перехода, смещенного в прямом направлении, снижается, потенциальный барьер на коллекторном переходе увеличивается. В результате приложения к эмиттерному переходу прямого напряжения, начинается усиленная диффузии (инжекция) дырок из эмиттера в базу.

Рис. а) распределение токов, б) распределение потенциалов в транзисторе p-n-p-типа. в) Уильям Шокли (1975г.)

Большинство неосновных носителей (дырок) в базе достигает коллекторного перехода и преодолевает его (коллекторный переход закрыт только для основных носителей). Полный коллекторный ток, определяемый движением всех носителей через коллекторный переход: І_К = αІ_Э+ І_КБО. Из закона Кирхгофа для токов (I_Б = Iэ—Iк) следует, что І_Б= ( 1 - α) І_Э– І_КБО.

N-P-N: Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ, плюс к коллектору, минус к эмиттеру. Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, этому мешает прослойка полупроводника базы, напряжение на которой равно напряжению эмиттера (V_БЭ=0), и обратносмещенный переход коллектора.

а) n-p-n структура

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V_BE, превышающее напряжение открывания диода Э-Б, (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE - 0.7V). Под его действием переход откроется, дырки (их мало) направятся в эмиттер, электроны (их много больше) направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать), образуя ток базы (дырки постоянно образуются источником Uбэ). Однако большинство электронов направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше, осуществляя переход через обратносмещенный переход в качестве неосновных носителей. Этому способствует очень маленькая толщина слоя базы. В итоге мы получаем два тока: маленький - от базы к эмиттеру I_BE, и большой - от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора - при небольшом изменении тока базы I_B, сильно меняется ток коллектора I_С –процесс усиления сигнала в биполярном транзисторе.

Переход ЭБ открыт и электроны легко «перебегают» в базу. Поскольку эмиттер имеет большую концентрацию примесей, то поток электронов из эмиттера в базу намного сильнее потока дырок из базы в эмиттер. Именно электронный поток является главным действующим лицом в транзисторе типа n -p-n (аналогично дырки – в транзисторе типа p-n-р). В базе электроны частично рекомбинируют с дырками, образуя ток базы, но бОльшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности, успевает добежать до перехода база-коллектор, который включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электрическое поле перехода помогает им преодолеть его.

!!! Для электронов, неосновных носителей в области базы, обратное напряжение перехода КБ не является барьером, и электроны попадают под притягивающее действие приложенного внешнего напряжения, образуя во внешней цепи коллекторный ток I_К. Через коллектор также течет обратный ток неосновных носителей – дырок, вызванный обратным смещением коллекторного перехода.

Параметры транзистора

Ток коллектора практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.

Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = I_C / I_B ; I_к = α I_э; Коэффициент усиления β = α/(1 − α), от 10 до 1000.

Вставка. Количественные соотношения для определения параметров транзисторов.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 369; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!