Биполярный транзистор характеристики: Характеристики биполярных транзисторов – Статьи об энергетике

Биполярные транзисторы. Назначение, виды, характеристики

Транзисторы предназначены  для решения задач усиления  и переключения электрических сигналов. Время бурного развития транзисторов –  50 –  80 годы прошлого столетия. В настоящее время следует признать, что транзисторы как отдельные компоненты используются в схемах не так часто. Массово они применяются только внутри интегральных схем.

Различают  транзисторы  двух  видов:  биполярные  и  униполярные  (полевые).

В  биполярных транзисторах  в создании токов участвуют как электроны (отрицательно  заряженные  частицы),  так  и  дырки  (положительно  заряженные частицы). Отсюда название вида транзисторов.

Биполярные транзисторы устроены сложнее полупроводниковых диодов, они имеют два pn-перехода и три вывода,  называемых  база,  эмиттер  и  коллектор.  Различают  два  вида  БТ:  NPN и PNP.

Устройство, особенности и схемотехнику  будем рассматривать на при-мере  NPN-транзисторов  –  наиболее  используемых  в  современной  практике, для  PNP-транзисторов рассуждения аналогичны и различия заключаются толь-ко в подключении питающих напряжений.

Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Устройство и принцип действия  NPN-транзисторов  показаны  на  рисунке 2.19.

NPN-транзистор  имеет  три  микроэлектронные  области:  две  –  с  N-проводимостью и одну  –  с  P  –  проводимостью. Каждая область имеет вывод с указанными на рисунке названиями.

Структуру  NPN-БТ можно также представить в уже более понятных обозначениях: как два диода, соединённых анодами в области базы.

На рисунке  2.20   показан наиболее распространённый способ использования биполярных транзисторов, когда на базу и коллектор подаются положительные (+) потенциалы  по отношению  к  эмиттеру.  При  этом  положительный  потенциал  коллектора выше потенциала базы!  Другими словами, коллекторный  pn-переход  смещён в обратном направлении  (смотрите,  коллекторный диод формально  закрыт), а базовый – в прямом.

При этом если в базу задать ток, то в силу структурной особенности кристалла  биполярного транзистора,  этот  базовый  ток  Iб будет  «подсасывать»  из  коллекторной  области электроны и формировать коллекторный ток

Iк= β_*I_б ,  (2. 7)

где β> 1 называется коэффициентом усиления тока базы.

Типовые паспортные значения β = 20÷500. Ток эмиттера, таким образом, в соответствии с первым законом Кирхгофа

Iэ = (β +1)_*Iб   (2.8)

Линейный режим работы биполярных транзисторов

В линейном режиме работы биполярный транзистор усиливает входные сигналы.

Простейшие транзисторные схемы, с помощью которых можно усиливать малые напряжения  показаны на рисунке 2.21.  Схемы  такой конфигурации  принято называть схемами (каскадами) с общим эмиттером (схемы ОЭ), т.к. один из выводов БТ  –  эмиттер,  используется для  формирования как входного, так и выходного сигнала  –  является общим для них.  Поясним работу такого усилителя.

Пусть  усиливаемый  сигнал  –  переменное  синусоидальное  напряжение, которое  подаётся  на  вход  схемы  общего эмиттера.  Усиленный  сигнал  снимается  с  выхода схемы ОЭ.  Усиленный сигнал имеет ту же форму синусоиды, но следует в противофазе с входным: когда входная синусоида возрастает, выходная синусоида спадает.

Основная  характеристика  усилителя  –  коэффициент  усиления  входного напряжения, который рассчитывается как

К_ус=ΔU_вых/ΔU_вх ≈ R₂/r_э,   (2.9)

где  r_э  –  сопротивление  эмиттера.  Сопротивление  эмиттера  можно  подсчитать по формуле:

r_э= ϕ_т/I_э = k_*T/q

*I_э ≈ k_*T/q_*I_к,    (2.10)

где  k – постоянная Больцмана,

Т – температура в кельвинах,

q – заряд электрона.

При температуре +25ºС (300 К) ϕт = 26 мВ.

Примечания

1. Существует графический  способ  оценки  r_э.  Для  этого  требуется  знание  входной вольт-амперной характеристики выбранного биполярного транзистора;
2. Коэффициент усиления сигнала по напряжению, как видно из формулы, зависит от температуры. В том случае, когда диапазон работы усилительной схемы широк, применяют чуть более сложные модификации схемы объединенных эмиттеров, более устойчивые к изменению температуры.

Следует иметь в виду, что выражение для  К_ус приблизительное и оно будет тем более справедливо, чем больше β, хорошо, если β >100.

Расчёт схемы ОЭ по постоянному току

На этом этапе нам необходимо рассчитать значения  R1и  R2, которые  задают  режим по постоянному току, а  R2кроме  того входит в выражение для К

ус.

Работа биполярного транзистора описывается входными и выходными характеристиками (показано  на  рисунке  2.22).  Входная  характеристика  I_б=ʄ(U_э),  как  и  следовало  ожидать,  аналогична  характеристике  п/п  диода.  Однако  у  транзистора  поведение этой  характеристики  зависит  (несильно)  ещё  и  от  напряжения  U_кэ.  Поэтому  в технических  описаниях  на  выбранный  транзистор  даются  семейства  входных характеристик, где параметром является  U_кэ. Выходная характеристика ‒ также семейство зависимостей типа I_к= ʄ (U_кэ), параметром для которых является базовый ток I_б.

Оба семейства имеют принципиально нелинейное поведение, однако, это не мешает их использовать для режима линейного усиления. Для этого надо построить  нагрузочную прямую  на выходном семействе,  рассчитать положение на ней рабочей точки (РТ) и определить из графика начальный ток базы.

Нагрузочная прямая строится, как и раньше для диода, между двумя аналогичными точками: 

I_к=  E_пит/R₂  и  U_кэ=Е_пит. В нашем расчёте  мы задались  значениями  Епит=15 В и  I_к =  E_пит/R₂  =30 мА. Тогда  R2=15/0,03 = 500 Ом. Строим прямую и выбираем положение РТ  –  это середина  линейного участка    (показано  на  рисунке  2.22). Линейным участком  будем называть участок нагрузочной прямой  между  напряжением  насыщения  и  напряжением  отсечки.  Параметры РТ в нашем примере соответствуют следующим значениям (показано  на рисунке 2.23): 

U_кэ.рт  ≈ 7 В,  I_к.рт  ≈ 16 мА,  I_б.

рт ≈ 0,3 мА.

Далее: выбираем из семейства входных ту характеристику, которая соответствует найденному значению U_кэ≈ 7,0 В, задаём I_б = 0,3 мА, и определяем U_бэ≈ 0,65 В. Строим актуальный участок входной нагрузочной прямой и рассчитываем R₁= (15-0,65) В/ 0,3 мА = 45 кОм.

Примечание   –  На практике расчёт проводиться несколько сложнее.

Рассчитаем коэффициент усиления каскада при t°=25 °С.

К_ус = I_э R₂/ ϕ_т = 16 мА × 500 Ом/ 26 мВ ≈ 308.

Важно  теперь  проверить:  не  превышает  ли  мощность,  рассеиваемая  на коллекторе, номинальное паспортное значение выбранного биполярного транзистора.

Расчёт ведётся в рабочей точке:  U_кэ.рт  ×I_к.рт  = 7 В×16 мА=112 мВт. Это значение постоянно и не меняется в режиме усиления входного сигнала, когда напряжения и токи коллектора меняются в широком диапазоне. Это объясняется тем, что напряжение и ток коллектора меняются в этой схеме в  противофазе: когда ток увеличивается, напряжения уменьшается, и наоборот.

Расчёт схемы ОЭ по переменному току

Пример формирования выходных сигналов схемы с ОЭ под воздействием изменения тока базы показан на рисунке 2.23. Под воздействием синусоидально изменяющегося тока базы (синусоида, изображённая пунктиром)  РТ смещается вдоль нагрузочной прямой  сначала вверх до своего максимума, а затем вниз до своего минимума.

По рисунку видим, что при изменении тока базы в диапазоне  от  0,05  до 0,55  мА  с  амплитудой  (0,55-0,05)/2  =  250  мкА,  ток  коллектора  изменяется  в диапазоне примерно от 3 мА до 29 мА с амплитудой (29-3)/2 =  13 мА. Имеем отсюда следующее значение коэффициента усиления по току:

К_i= 13 000/250 = 52

Напряжение коллектора изменяется в диапазоне примерно от 0,5 В до 13 В с амплитудой (13-0,5)/2 = 6,25 В. Ещё раз подчеркнём, что изменение напряжения коллектора осуществляется в противофазе  с изменением входного (усиливаемого) тока: при увеличении тока базы увеличивается коллекторный ток и уменьшается коллекторное напряжение!

Пока мы ничего не говорили о конденсаторах  С1и  С2.   Это  так называемые    разделительные конденсаторы. Они не пропускают  постоянные составляющие усиливаемых напряжений  и пропускают только переменные. Их значения  должны  быть  достаточно  большими:  чем  больше  значения  ёмкостей,  тем меньше  ʄ_н –  минимальная  усиливаемая  частота.  Обычно  эти  конденсаторы имеют значения от 1 до 100 мкФ.

Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Смотрим на выходные характеристики БТ.  При  подаче большого тока  в базу (>0,3 мА) напряжение  U_кэ уменьшается до своего минимального значения (типовое  значение  0,2  В).  Говорят  «транзистор  переходит  в  режим  насыщения».

С  другой  стороны,  если  в  базу  ток  не  подавать  (I_{б ~} 0),  то  коллекторный ток прерывается и напряжение на выходе каскада будет равно напряжению питания Е_пит ‒ биполярный транзистор будет находится в «режиме отсечки».

Собственно эти два состояния БТ и описывают  ключевой режим его работы:  ключ (транзистор) включён или выключен, нагрузка подключена к питанию или отключена. Простейшие  ключевые схемы  на БТ показаны на рисунке 2.24.  На  представленных  принципиальных  схемах  показано,  что  управление схемами осуществляется с помощью цифровых сигналов: логического нуля  («0»)и  логической единицы  («1»). В современной практике такие сигналы формируются чаще всего микроконтроллерами.

Обращаем внимание, что оба вида БТ используется в схемах с плюсовым (положительным) питанием (+Е_пит) и нагрузка  в обоих случаях расположена в коллекторной  цепи  БТ.  При  этом:  логическая  единица  в  одном  из  случаев (NPN-транзистор) замыкает ключ, а в другом (PNP-транзистор) – размыкает.

Условие замыкания ключа: I_{б  *}  β  >I_к.нас  ≈  Е_пит/R_нагр. Ток базы приближённо можно рассчитать для обоих случаев так: I_б= (Е_пит-0,6)/R₁.

Зная  напряжение  питания,  сопротивление  нагрузки  и  коэффициент  усиления тока базы β, можно рассчитать по указанным формулам R_1.

Конструктивные разновидности биполярных транзисторов

Конструктивные разновидности биполярных транзисторов показаны на рисунке 2.25.

Проверка работоспособности биполярных транзисторов

Многие  мультиметры  позволяют  измерять  коэффициент  усиления  тока базы (β; h₂₁) транзисторов  с гибкими выводами.  На рисунке  2.26    показано типовое решение этой задачи. В специальный разъём, соблюдая указанный на лицевой панели порядок, подключается транзистор.  Значение  β  высвечивается на дисплее.

Примечания 

1. NPN- и PNP-транзисторы имеют раздельные гнёзда для подключения.
2. Для обоих типов транзисторов предусмотрено по два гнезда для подключения эмиттера. Это связано с возможными конструктивными различиями в цоколёвках транзисторов.

Биполярные транзисторы.Виды и характеристики.Работа и устройство

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

• Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
• Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
• Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
• Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы I_б. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I _э = I _б + I _к.

Характеристики

• Коэффициент усиления тока β = I_к / I_б.
• Коэффициент усиления напряжения U_эк / U_бэ.
• Сопротивление на входе.
• Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление R_L, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С₁, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки R_L, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С₁, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R₁, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik Rk+Vke.

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения V_БЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью Vke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении I_В ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью Ik и наиболее крутым графиком.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Похожие темы:

Биполярный транзистор: принцип работы, характеристики, схемы

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Внешний вид биполярного транзистора средней мощности и его цоколевка

Содержание статьи

Устройство

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.

Обозначение биполярных транзисторов на схемах и их структура. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

PNP — транзистор прямой проводимости.

NPN — транзистор обратной проводимости.

Определить структура транзистора и проверить его исправность можно при помощи мультиметра.

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Упрощенная схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно большим током коллектора.

Режимы работы

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении[2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0; UКБ>0.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ>0; UЭБ<0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0[5][6].

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

• Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по

  Схема включения с общей базой

  току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α<1].
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства

• Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
• Высокое допустимое коллекторное напряжение.

Недостатки

• Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1.
• Малое входное сопротивление.

Схема включения с общим эмиттером

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].

  Схема включения с общим эмиттером

• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.

Достоинства

Большой коэффициент усиления по току.

• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее усиление мощности.
• Можно обойтись одним источником питания.
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].

  Схема включения с общим коллектором

• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.

Достоинства

• Большое входное сопротивление.
• Малое выходное сопротивление.

Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:
  • r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  • r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  • r_б — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2;

I_m2 = h₂₁I_m1 + h₂₂U_m2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I_m1 = I_mб, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mб-э, U_m2 = U_mк-э. Например, для данной схемы:

h_21э = I_mк/I_mб = β.

Для схемы ОБ: I_m1 = I_mэ, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mэ-б, U_m2 = U_mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

;

;

;

.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C_к. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода C_э также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода r_э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τ_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ_ф. Временем включения транзистора называется τ_вкл = τ_з + τ_ф.

Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитакcиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую). По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт). Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ.

Биполярный СВЧ-транзистор КТ3109А (PNP)

Технологии изготовления транзисторов

• Эпитаксиально-планарная.
• Диффузионно-сплавная.

Применение транзисторов

• Усилители, каскады усиления
• Генератор сигналов
• Модулятор
• Демодулятор (детектор)
• Инвертор (лог. элемент)
• Микросхемы на транзисторной логике (см. транзисторно-транзисторная логика, диодно-транзисторная логика, резисторно-транзисторная логика)

3. Биполярные транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

3.2.1. Схема с общей базой

3.2.2. Схема с общим эмиттером

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

3.7. Работа транзистора в усилительном режиме

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.

а)	б)
Рисунок 3.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n₁⁺-p меньше, чем у перехода n₂-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n₁ с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n₂).

Рисунок 3.2

Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n⁺). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n₁⁺) называется эмиттером, а область n₂ – коллектором. Соответственно переход n₁⁺-р называют эмиттерным, а n₂-pколлекторным.Средняя область (p) называется базовой (или базой). Правая область n⁺ служит для снижения сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э – эмиттер; Б – база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

а)	б)	в)
Рисунок 3.3.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер – база U_ЭБ), а на коллекторном переходе – обратное (напряжение коллектор – база U_КБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Рисунок 3.4.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название “коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный – обратное U_ЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания U_ЭБ и U_КБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (U_ЭБ = -U_БЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ. Так как U_ЭБ = -U_БЭ, тo U_КБ = U_КЭ – U_БЭ; при этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным – в другом случае. В схеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: U_КБ = -U_БК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: U_ЭБ = U_ЭК + U_КБ = U_ЭК – U_БК, при этом правило знаков прежнее.

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение U_ЭБ. Поэтому прямой ток перехода

, (3.1)

где I_{э р}, I_{э n} – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а I_эрек – составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода I_э в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие I_эр и I_эn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода. Если вклад I_{э рек} незначителен, то вместо (3.1) можно записать

. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток I_{э р}, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера I_{э n} и I_{э рек} протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты I_{э n}, I_{э рек} должны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током I_{э рек}

. (3.4)

Коэффициент инжекции g _Э “тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение I_{э n}/ I_{э р}. Величина I_{э n}/ I_{э р} << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора N_АЭ на несколько порядков выше концентрации доноров N_ДБ в базе (N_АЭ >> N_ДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток I_Эр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок – неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок I_{Б рек}, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:

. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение c _Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами – основными носителями базовой области. Ток I_Брек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток I_Брек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей I_{Э n}.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить c _Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноров N_{д Б}. Это совпадает с требованием N_АЭ/N_ДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы W_Б и диффузионной длины дырок в базовой области L_{p Б}. Доказано, что имеется приближенное соотношение

. (3.7)

Например, при W_Б/L_{p Б} = 0,1 c _Б = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5)

(3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

, (3.9)

где

. (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называет статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую I_КБО, которая протекает в цепи коллектор – база при I_Э = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехода, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллектора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10)

. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:

, (3.12)

числитель которого (I_К – I_КБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, I_Кр. Обычно рабочие токи коллектора I_К значительно I_КБО, поэтому

. (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, I_К и I_Б принципиально меньше тока I_Э; при этом наименьшим является ток базы

. (3.16)

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмиттера

. (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (I_Э = 0, холостой ход), то I_Б = -I_КБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значении I^*_Э = I_КБО /(1-a ) ток I_Б = 0, а при дальнейшем увеличении I_Э (I_Э>I^*_Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь I_К с I_Б. Используя (3.11) и (3.15), получаем

, (3.18)

где

(3.19)

– статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть очень большим (b >>1). Например, при a = 0,99 b = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

. (3.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (I_К – I_КБО) к управляемой части базового тока (I_Б + I_КБО). Действительно, используя (3.14), получаем

.

Все составляющие последнего выражения зависят от I_Э и обращаются в нуль при I_Э = 0. Введя обозначение

, (3.21)

можно вместо (3.18) записать

. (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения I_КЭО это значение тока коллектора при нулевом токе базы (I_Б = 0) или при “обрыве” базы. При I_Б = 0

I_К = I_Э, поэтому ток I_КЭО проходит через все области транзистора и является “сквозным” током, что и отражается индексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие I_Б = 0).

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

3.2.1. Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях параметра U_КБ – напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

а)	б)
Рисунок 3.5

При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С ростом обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0 для p-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_Э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера I_Э0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости I_К = f(U_КБ) при заданных значениях параметра I_Э (рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора при I_Э = 0 и обратном напряжении |U_КБ < 0| подобна обратной ветви p-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11) I_К = I_КБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор – база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине (например, точка А’ на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требуется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где U_КБ < 0 (обратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение U_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) I_К = a I_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_Э. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_КБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_КБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту a . Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).

3.2.2. Схема с общим эмиттером

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_Б = f(U_БЭ), причем параметром является напряжение U_КЭ (рисунок 3.6,а). Для p-n-p транзистора отрицательное напряжение U_БЭ (U_БЭ < 0) означает прямое включение эмиттерного перехода, так как U_ЭБ = -U_БЭ > 0. Если при этом U_КЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении: U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_ЭБ > 0. Поэтому входная характеристика при U_КЭ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_ЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_КБ = U_ЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток.

а)	б)
Рисунок 3.6

Вторая характеристика на рисунке 3.6,а (U_{КЭ á} 0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_КЭ должно быть в p-n-p транзисторе отрицательным и по модулю превышать напряжение U_ЭБ. В этом случае (U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_КЭ – U_БЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения (3.14) или (3.17): I_Б =(1 – a )I_Э – I_КБО. При малом напряжении U_БЭ инжекция носителей практически отсутствует (I_Э = 0) и ток

I_Б = -I_КБО, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ = -U_БЭ вызывает рост I_Э и величины (1 – a ) I_Э. Когда (1 – a ) I_Э = I_КБО, ток I_Б = 0. При дальнейшем роете U_БЭ (1 – a ) I_Э > I_КБО и I_Б меняет направление и становится положительным (I_Б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_КЭ на I_Б в НАР можно объяснить тем, что рост |U_КЭ| означает рост |U_КБ| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ) при заданном параметре I_Б (рисунок 3.6,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному активному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях |U_КЭ|, превышающих |U_БЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение U_БЭ, а входной ток I_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока I_Б, который связан с входной характеристикой на рисунке 3.6,а. Для увеличения I_Б необходимо увеличивать |U_БЭ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_Б = 0 (“обрыв” базы), то в соответствии с (3.22) I_К = I_КЭО = (b + 1 ) I_КБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = I_КБО, если задать отрицательный ток I_Б = -I_КБО. Выходная характеристика с параметром I_Б = -I_КБО может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром I_Б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Э » b h_22Б) Объясняется это различным проявлением эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение U_КЭ, а следовательно и U_КБ сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регулировкой напряжения U_БЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора D I_К, т.е. увеличение выходной проводимости (в схеме с ОБ ток I_Э при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра аналогично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормальном активном режиме ток эмиттерного перехода можно представить формулой

.

С ростом температуры тепловой ток I_ЭО растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения j _Т = kT/q. В результате противоположного влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе I_Э на величину D U » (1…2) мВ/°С (рисунок 3.7,а).

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется тепловым током коллекторного перехода I_КБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении температуры опускается (рисунок 3.7, б).

а)	б)
Рисунок 3.7

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

и .

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (I_Э = const в схеме с ОБ и I_Б = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при I_Э = const рост I_К будет определяться только увеличением I_КБО (рисунок 3.8, а).

а)	б)
Рисунок 3.8

Однако обычно I_КБО значительно меньше a I_Э, изменение I_К составляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь параметром является I_Б и его надо поддерживать неизменным при изменении температуры. Будем считать в первом приближении, что коэффициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство b I_Б означает, что температурная зависимость I_К будет определяться слагаемым (b + 1)I_КБО. Ток I_КБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 прирост тока (b + 1)I_КБО может оказаться сравнимым с исходным значением коллекторного тока и даже превысить его.

На рисунке 3.8,б показано большое смещение выходных характеристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характеристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

Статические характеристики и их семейства наглядно связывают постоянные токи электродов с постоянными напряжениями на них. Однако часто возникает задача установить количественные связи между небольшими изменениями (дифференциалами) этих величин от их исходных значений. Эти связи характеризуют коэффициентами пропорциональности -дифференциальными параметрами.

Рассмотрим процедуру введения дифференциальных параметров БТ на примере наиболее распространенных h-параметров, приводимых в справочниках по транзисторам. Для введения этой системы параметров в качестве независимых переменных при описании статического режима берут входной ток I_ВХ (I_Э или I_Б) и выходное напряжение U_ВЫХ (U_KБ или (U_КЭ):

U₁= f (I₁,U₂) (3.23)

I₂= f (I₁,U₂)

В этом случае полные дифференциалы

(3.24)

Частные производные в выражениях (3.24) и являются дифференциальными h-napaметрами, т.е.

dU₁=h₁₁ d I₁ +h₁₂ dU₂ (3.25)

dI₂=h₂₁ dI₁ + h₂₂ dU₂

(h₁₁ -входное сопротивление, h₁₂ -коэффициент обратной передачи, h₂₁ -коэффициент передачи входного тока и h₂₂ -выходная проводимость). Названия и обозначения этих параметров взяты из теории четырехполюсников для переменного тока.

Приращения статических величин в нашем случае имитируют переменные токи и напряжения.

Для схемы с общей базой

dU_ЭБ=h_11Б d I_Э +h_12Б dU_КБ (3.26)

dI_К=h_21Б dI_Э + h_22Б dU_КБ

Эти уравнения устанавливают и способ нахождения по статическим характеристикам, и метод измерения h-параметров. Полагая dU_КБ = 0, т.е. U_КБ = const, можно найти h_11Б и h_21Б, а считая dI_Э = 0, т. е. I_Э = const. определить h_12Б и h_22Б.

Аналогично для схемы с общим эмиттером можно переписать (3.26) в виде

dU_БЭ=h_11Э d I_Б +h_12Э dU_КЭ (3.27)

dI_К=h_21Э dI_Б + h_22Э dU_КЭ

Связь h-параметров со статическими характеристиками схем с ОБ и ОЭ и их определение по ним рассмотрены в.

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

В качестве малосигнальных моделей могут быть использованы эквивалентные схемы с дифференциальными h-, у- и z-параметрами, которые имеют формальный характер и в которых отсутствуют непосредственная связь с физической структурой транзистора. Например, эквивалентная схема для системы Н-параметров приведена на рисунке.

Рисунок 3.9

Широкое распространение нашли эквивалентные схемы с так называемыми физическими параметрами, которые опираются на нелинейную динамическую модель Эберса – Молла, т.е. тесно связаны с физической структурой биполярного транзистора.

Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной динамической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока. Кроме того, в усилительных схемах используется либо нормальный активный, либо инверсный активный режим, а режим насыщения недопустим. Поэтому при переходе к малосигнальной схеме можно ограничиться рассмотрением наиболее распространенного нормального активного режима, так как результаты легко перенести и на инверсный активный режим. В этом случае можно исключить генератор тока и малосигнальную модель БТ для схемы включения с ОБ изобразить, как на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10

Поясним смысл элементов модели. Резистор R_Э представляет дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. В первом приближении его можно определить по формуле для идеализированного р-n перехода:

R_Э=dU/dI» j _T/I_Э, (3.28)

где I_Э– постоянная составляющая тока эмиттера. Так как при комнатной температуре j _т = 0,026 В, то при I_Э = 1 мА R_Э = 26 Ом.

Величина R_К называется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода. Оно обусловлено эффектом Эрли и может быть определено по наклону выходной характеристики:

. (3.29)

Величина R_К обратно пропорциональна значению параметра h_22Б. Дифференциальное сопротивление коллектора может составлять сотни килоом и мегаомы, тем не менее его следует учитывать.

Реактивные элементы модели (Сэ, Ск) оказались теперь присоединенными параллельно резисторам R_Э и R_К. Сопротивление базы r½ _ББ, которое может превышать сотни ом, всегда остается в модели.

r½ _ББ=h₁₂/h₂₂ . (3.30)

Приведенная эквивалентная малосигнальная модель БТ формально относится к схеме включения с ОБ. Однако она применима и для схемы с ОЭ. Для этого достаточно поменять местами плечи этой схемы, называемой Т-образной схемой с физическими параметрами. Электрод “Б” следует изобразить входным, а “Э” – общим, как показано на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11

Значения всех элементов остаются прежними. Однако при таком изображении появляется некоторое неудобство, связанное с тем, что зависимый генератор тока в коллекторной цепи выражается не через входной ток (ток базы). Этот недостаток легко устранить преобразованием схемы к виду, изображенному на рисунке 3.11. Чтобы обе схемы были равноценными четырехполюсниками, они должны иметь одинаковые параметры в режимах холостого хода и короткого замыкания. Это требует перехода от тока H_21БI_Э к току Н_21ЭI_Б и замены R_К и C_К на R_К^* и C_К^* соответственно. Связи этих величин определяются формулами

R_К^*=Н_21БR_К/ Н_21Э=R_К /( Н_21Э+1) , ( 3.31 )

С_К*= С_К( Н_21Э+1) . ( 3.32 )

Легко убедиться, что R_К^* характеризует наклон выходной характеристики (эффект Эрли) в схеме с ОЭ и связан с выходной проводимостью в этой схеме соотношением (5.43). Во сколько раз уменьшается R_К^* по сравнению с R_К, во столько же раз возрастает емкость С_K^* по сравнению с С_K, т.е. R_KC_K =R_K^*C_K^*.

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

Частотные свойства определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты. Для биполярных транзисторов используется зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в схемах ОБ и ОЭ Н_21Б и Н_21Э. Обычно рассматривается нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме вместо приращения токов необходимо брать комплексные амплитуды, поэтому и коэффициенты передачи заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами: Н_21Б и Н_21Э.

Величины Н_21Б и Н_21Э могут быть найдены двумя способами:

• решением дифференциальных уравнений физических процессов и определением из них токов;

• анализом Т-образной эквивалентной схемы по законам теории электрических цепей.

Во втором случае Н_21Б и Н_21Э будут выражены через величины электрических элементов схемы. Мы проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) n-р-n транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют С_Э, С_К и r½ _ББ, а также время пролета носителей через базу t _Б.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера Н_21Б, который становится комплексным, следующим образом:

_, (3.33 )

где Н_21Б0– коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте, f – текущая частота, f_Н21Б– предельная частота. Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен

( 3.34 ).

Не трудно заметить, что модуль коэффициента передачи ½ Н_21Б½ на предельной частоте f_Н21Б снижается в раз. Сдвиг по фазе между входным и выходным токами определяется формулой

. ( 3.35 )

Для схемы с ОЭ известно соотношение

( 3.36 ).

Подставляя (3.33) в (3.36) получим

(3.37),

где . Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

(3.38).

Как видно, частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Граничная частота f_ГР – это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи ½ Н_21Э½ =1. В итоге получим, что f_ГР» f_Н21Э× Н_21Э0.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности К_P> 1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

, ( 3.39 ).

где f_Н21Б – предельная частота в мегагерцах; r¹_ББ – объемное сопротивление в омах; C_К – емкость коллекторного перехода в пикофарадах; f_МАКС – в мегагерцах.

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

Рассмотренное выше позволяет сделать следующие выводы. Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) рекомендуется следующее.

1. Уменьшать время пролета инжектированных носителей в базовой области, т.е.

а) уменьшать ширину базовой области W_Б; б) создавать n-р-n транзисторы, так как подвижность электронов выше, чем у дырок, примерно в 2 раза; в) использовать германиевые БТ, так как в германии подвижность носителей выше. Еще большие возможности открывает использование арсенида галлия.

2. Создавать ускоряющее поле в базовой области для инжектированных из эмиттера носителей. Последнее возникает при неравномерном распределении примесей в базе по направлению от эмиттера к коллектору (рис. 5.31,б). Концентрацию около эмиттера делают примерно в 100 раз больше, чем около коллектора.

Рисунок 3.12

Появление поля объясняется просто. Так как концентрация основных носителей в любой точке базы (дырок n-р-n транзистора) приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесей N_a(х) одновременно будет и распределением дырок p(х). Под влиянием градиента концентрации дырок будет происходить их диффузионное движение к коллектору, приводящее к нарушению условия электрической нейтральности: около эмиттера будет избыток отрицательного заряда ионов акцепторов, а около коллектора – избыток положительного заряда дырок, которые приходят к коллекторному переходу, но не проходят через него.

Нарушение электрической нейтральности приводит к появлению внутреннего электрического поля в базовой области (минус у эмиттера, плюс у коллектора). Появляющееся поле, в свою очередь, вызовет встречное дрейфовое движение дырок. Нарастание поля и дрейфового потока будет происходить до того момента, когда дрейфовый и диффузионный токи дырок уравняются. Легко видеть, что установившееся (равновесное) значение поля будет ускоряющим для электронов, которые входят в рабочем режиме из эмиттера в базу и будут уменьшать их время пролета, т.е. повышать предельную частоту БТ.

Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, называются дрейфовыми, а обычные – бездрейфовыми. Практически все современные высокочастотные и сверхвысокочастотные БТ являются дрейфовыми.

Уменьшение времени пролета в базовой области n-р-n транзистора при экспоненциальном законе убывания концентрации акцепторов от N_а(0) до N_а(W_Б) учитывается коэффициентом неоднородности базы:

h =0,5ln[ N_А(0)/N_А(W_Б)]

Поэтому можно написать

Для бездрейфовых транзисторовh =0 , а типичные значения для дрейфовых транзисторов .

3. Уменьшать барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов путем уменьшения сечения областей транзистора и увеличения ширины переходов (выбором концентрации примесей и рабочего напряжения).

4. Уменьшать омическое сопротивление областей базы r½ _ББ.

5. Уменьшать время пролета носителей в области коллекторного перехода.

Следует отметить, что ряд требований несовместимы и необходимо при создании транзисторов применять компромиссные решения.

3.7. Работа транзистора в усилительном режиме

При работе транзистора в различных радиотехнических устройствах в его входную цепь поступают сигналы, например переменные напряжения. Под действием входного переменного напряжения изменяются входной и выходной токи транзистора.

Для выделения полезного сигнала в выходную цепь транзистора включают элементы нагрузки. В простейшем случае нагрузкой может служить резистор R_к. На резисторе нагрузки за счет прохождения выходного тока выделяется, кроме постоянного, переменное напряжение. Амплитуда этого напряжения зависит от амплитуды переменной составляющей выходного тока и сопротивления резистора R_к и может быть больше входного напряжения. Процесс усиления сигнала удобно рассмотреть на примере простейших усилителей.

Простейшая схема усилителя на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, показана на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13

Коллекторная цепь состоит из резистора R_к и источника Е_к, а цепь базы – из источников тока I_Б0 и I_Бm Источник I_Б0 обеспечивает положение исходной рабочей точке на участке характеристик с наименьшей нелинейностью. Источник I_Бm– источник сигнала. В качестве выходного используется переменное напряжение, выделяемое на резисторе нагрузки R_к (на коллекторе транзистора).

Работа такого усилителя поясняется временными диаграммами токов и напряжений, изображенными на рис. 3..

При I_Бm =0 токи базы и коллектора будут определяться токами в рабочей точке (I_{Б 0,} I_{К 0})и напряжением на коллекторе U_К0= Е_К-I_{К0 ×} R_к

Рисунок 3.14

Во время положительного полупериода входного тока (рис. 3.14.,а) прямое напряжение эмиттерного перехода увеличивается, что вызывает рост тока коллектора (рис. 3.14,б) и уменьшение напряжения U_КЭ за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении коллектора (рисунок 3.14,в). Если работа происходит на линейных участках характеристик транзистора, то формы переменных составляющих токов базы и коллектора совпадают с формой входного напряжения, а переменное напряжение на коллекторе, обусловленной переменной составляющей коллекторного тока, оказывается сдвинутым относительно входного напряжения на 180⁰. При соответствующем выборе сопротивления нагрузки R_к амплитуда переменного напряжения на выходе такого усилителя U_mвых=I_КmR_к может значительно превышать амплитуду входного напряжения.

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

Если транзистор работает в режиме усиления импульсных сигналов малой амплитуды, то такой режим работы в принципе не отличается от линейного усиления малых синусоидальных сигналов. Импульс в этом случае может быть представлен в виде суммы ряда гармонических составляющих. Зная частотные свойства транзистора, можно определить искажения формы импульсов, возникающие при усилении.

Схема импульсного усилителя не отличается от схемы усилителя гармонических сигналов (рисунок 3.13).

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

Биполярный транзистор широко используется в электронных устройствах в качестве ключа – функцией которого является замыкание и размыкание электрической цепи. Имея малое сопротивление во включенном состоянии и большое – в выключенном, биполярный транзистор достаточно полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ключевым элементам.

Схема транзисторного ключа показана на рисунке 3.15. Во входной цепи действуют источник смещения Е_БЭ, создающий обратное напряжение на эмиттерном переходе, источник управляющих импульсов прямого напряжения U_ВХ и ограничительный резистор R_Б. Обычно R_{Б> >} Н_11Э. В выходной цепи включены сопротивление нагрузки R_К и источник питания Е_КЭ.

Рисунок 3.15

Когда нет импульса на входе, транзистор находится в режиме отсечки и ток коллектора практически отсутствует I_К» I_КБ0 (точка А на выходных характеристиках (рисунок 3.16,б). Напряжение на выходе транзистора u_КЭ= Е_КЭ-I_К× R_К » Е_КЭ.

При подаче на вход транзистора импульсов прямого тока i_Б=(U_ВХ– E_БЭ)/R_Б=I_{Б НАС}, транзистор открывается, рабочая точка перемещается в точку Б (режим насыщения) и напряжение на коллекторе падает до значения u_КЭ= Е_КЭ-I_{К НАС,} R_К=U_{КЭ ОСТ}. При дальнейшем увеличении тока базы ток коллектора не увеличивается (рисунок 3.16,а) и напряжение на коллекторе не изменяется (рисунок 3.16,б).

а)	б)
Рисунок 3.16

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

При практическом использовании транзистора большое значение имеет скорость переключения, обуславливающая быстродействие аппаратуры. Скорость переключения определяется процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и коллекторе транзистора, эмиттерном и коллекторном переходах.

В эмиттерном и коллекторном переходах находятся нескомпенсированные заряды неподвижных ионизированных атомов примеси – доноров и акцепторов; неравновесный заряд отсечки в базе можно считать равным нулю.

При переходе к режиму насыщения эмиттерный переход открывается, толщина перехода и его нескомпенсированный заряд уменьшаются, происходит как бы разряд ёмкости эмиттерного перехода. В следствии понижения напряжения на коллекторе, уменьшается его толщина и заряд в нем, т.е. происходит разряд ёмкости коллекторного перехода, открывается коллекторный переход и в области базы за счет инжекции электронов из эмиттерного и коллекторного переходах накапливается большой неравновесный заряд насыщения. В транзисторах, имеющих высокоомный коллектор носители заряда инжектируют и в область коллектора, где так же накапливается неравновесный заряд.

Графики напряжений и токов транзистора при переключении даны на рисунке 3.17. На базу транзистора подается прямоугольный импульс напряжения U_ВХ-E_БЭ (рисунок 3.17,а).

График входного тока показан на рисунке 3.17,б. Величина импульса прямого тока базы I_{Б ПР} определяется в основном сопротивлением ограничительного резистора R_Б.

После переключения эмиттерного перехода на обратное направление ток перехода, как и в диоде, имеет первоначально большую величину, ограниченную лишь сопротивлением R_Б: I_{Б ОБР}= E_Б/ R_Б, так как сопротивление эмиттерного перехода в первый момент после переключения очень мало вследствие насыщения базы неравновесными носителями заряда (рисунок 3.17,г).

При прямоугольной форме импульса входного тока импульс выходного тока i_К (рисунок 3.17,в) появляется с задержкой t_З, которая определяется главным образом скоростью нарастания напряжения эмиттерного перехода, зависящей от величин ёмкости перехода и прямого тока базы, т.е. скоростью разряда эмиттерного перехода.

После того как транзистор перейдет из режима отсечки в активный режим, коллекторный ток начинает постепенно нарастать, достигая установившегося значения а время t_н. Это время определяется скоростью накопления неравновесного заряда в базе и скоростью разряда емкости коллектора. Таким образом, полное время включения транзистора состоит из времени задержки и времени нарастания:

.

Практически оно может иметь величину от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд в зависимости от параметров транзистора.

После подачи в цепь базы запирающего тока I_{Б ОБР}=E_БЭ/R_Б выходной коллекторный ток прекращается не сразу. На протяжении некоторого времени рассасывания t_p он практически сохраняет свою величину, так как концентрация носителей заряда в базе у коллекторного перехода еще остается выше равновесной и коллекторный переход благодаря этому оказывается открытым.

Лишь после того как неравновесный заряд у коллекторного перехода рассосется за счет ухода электронов из базы и рекомбинации, ток коллектора начинает постепенно спадать, достигая время спада t_С установившегося значения I_KЭ0. В течении этого времени продолжается рассасывание неравновесного заряда базы и происходит перезаряд емкости коллекторного перехода. Заметим, что эмиттерный переход при этом может закрыться раньше или позже коллекторного в зависимости от скорости рассасывания неравновесного заряда, сосредоточенного поблизости от него.

Процесс накопления и рассасывания неравновесного заряда q_Б при переключении транзистора поясняется на рисунке 3.17,г. Накопление неравновесного заряда в базе начинается спустя время задержки t_з, и заряд за время нарастания t_н достигает установившегося значения q_Б=Q_акт. Далее вследствие падения коллекторного напряжения до величины U_{КЭ ОСТ<} U_БЭ коллекторный переход открывается и начинает инжектировать неравновесные носители заряда в базу. Заряд базы снова возрастает, достигая к концу входного импульса значения q_Б=Q_нас. После переключения напряжения эмиттерного перехода на обратное происходит рассасывание неравновесного заряда базы, за время t_Р+t_С он достигает нулевого значения.

Биполярные транзисторы. Характеристики и схемы соединений

Открытие полупроводников позволило создать не только диоды и тиристоры, но и тоже не менее популярные усилительные устройства – транзисторы. Они активно применяются в электронике и схемотехнике, а также современный прогресс позволил применять их и в силовой электронике. Более подробно мы рассмотрим биполярные транзисторы в этой статье.

Содержание:

Структура и принцип работы транзистора

В отличии от тиристоров и диодов, транзистор имеет двух переходную структуру. Она может быть двух видов – p-n-p проводимость, в которой по средине расположен полупроводник с электронной проводимостью, а по бокам с дырочной. Схема ниже:

Или же n-p-n:

Каждый из этих переходов имеет особенности обычных диодов. Если к левому переходу приложить напряжение в прямом направлении (положительный потенциал к р-полупроводнику, а негативный к n-полупроводнику), то в левом переходе появится прямой ток. Основные носители начнут переходить с левого полупроводника в средний, где они станут уже не основными. Если же к правому переходу приложить напряжение обратной полярности, то основные носители не будут создавать ток. При этом будет существовать только ток, который создается неосновными носителями. Но если в средней зоне появится значительное количество неосновных носителей за счет диффузии через левый переход, то и в правом переходе ток возрастет. Таким образом можно регулировать ток правого перехода, изменением его в левом переходе. Средний полупроводник зовут базой (на схеме Б), тот, к которому напряжение приложено в прямом направлении – эмиттером (на схеме Е), а в обратном – коллектором (К). На рисунках выше показаны обозначение транзисторов на принципиальных схемах. Вывод эмиттера показан стрелкой. Поскольку в работе транзистора принимают участия носители обеих знаков – его называют биполярным.

Основные носители эмиттера, что проникают в базу, создают ток коллектора I_к, но некоторая их часть (примерно 1-2%) отправляется в базу. Все три тока подчиняются первому закону Кирхгофа I_E =I_б+I_к. если такое выражение справедливо для токов, то оно будет справедливо и для его приращений  ∆I_E =∆I_б+∆I_к.

Схемы соединения транзисторов

Существует три схемы соединения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и коллектором соответственно. Рассмотрим детальней каждую из них.

Общая база

Схема будет выглядеть так:

В данном случае входным током будет I_Е, а выходным I_К. Коэффициентом усиления называют зависимость приращения тока коллектора от тока эмиттера и он имеет вид h_21б=  ∆I_к/∆I_E. Поскольку ∆I_E =∆I_б+∆I_к, то h_21б<1. Обычно h_21б= 0,98÷0,99, поскольку I_б составляет 1-2% от I_E.

Вольт-амперная характеристика транзистора при отсутствии тока эмиттера представляет собой обратную характеристику диода (между коллектором и базой напряжение обратной полярности). Если создать ток между эмиттером и базой, возрастет ток (будем обозначать далее как I) коллектора. При различных значениях I_Е будут различные значения вольт-амперных характеристик транзистора, которые создают, так называемое семейство характеристик транзистора, которые приведены ниже:

Зависимость I от приложенного между ним и базой напряжения (входная характеристика транзистора) представляет собой ничто иное  как прямую ветку характеристику диода. Также на I эмиттера оказывает влияние и напряжение между коллектором и базой и чем оно выше, тем сильнее характеристика смещается влево, как показано на рисунке ниже:

Но данное смещение наблюдается только в промежутке от 0 до 10 В, при увеличении напряжений характеристики смещаться не будут. Поскольку большинство транзисторов работают при U_К>10 В, то входную характеристику считают независимой от входного напряжения.

Схема с общим эмиттером

Такая схема включения дает реальное усиление выходного тока I. Схема ниже:

Коэффициент усиления это как и раньше отношение выходного I к входному, но теперь входным будет I_Б, так что получим:

Если учесть что h_21б= 0,98÷0,99; имеем h_21Е= 50÷98, что значительно выше единицы. Это главное преимущество этой схемы.

Вольтамперные характеристики схемы с общим эмиттером ОЭ напоминают те, что соответствуют схеме с общей базой ОБ, но расположены в первом квадранте и показаны ниже:

Здесь имеем два p-n перехода с потенциальным барьером, электрические поля в которых направлены встречно и взаимно компенсируются, поэтому при U_К=0, коллекторный I не возникает. Характеристики будут смещаться относительно I_Б, который в данном случае будет входным.

Входная характеристика практически такая же, как и для схемы с ОБ, так как соответствует одному и тому же переходу, но из-за того, что полярность входного напряжения относительно коллекторного в этой схеме противоположная, характеристика при росте U_К смещается вправо и показана ниже:

И здесь она при U_К>10 В от дальнейшего возрастания U_К не зависит.

Для расчета и анализа усилителей необходимо использовать эквивалентную схему транзистора. Ее можно создать исходя из эквивалентной схемы диода. Поскольку транзистор являет собой два диода, совмещенных в одном корпусе, то эмиттерный переход будет находится под прямым напряжением. Чтоб учесть смещение входной характеристики в зависимости от входного напряжения коллектора, источник Е выразим как h_12БU_К, пропорциональным U_K. Сопротивление эмиттерного перехода обозначим как h_11Б. схема будет иметь следующий вид:

Схема с общим коллектором

Эта схема практически ничем не отличается от эмиттерной и ее эквивалентная схема может быть такой же. Но тому, что выходные (вольтамперные) характеристики практически горизонтальные, их пересечения с горизонтальной осью найти практически невозможно. Как известно из курса электротехники последовательное включение резистора с источником напряжения можно заменить на параллельное соединение резистора с источником тока, величина которого найдется как ордината точки пересечения характеристики с осью токов. Поскольку выходная характеристика будет смещаться относительно I_Е, учтем это путем введения источника тока h_21БI_Е, пропорционально входному I_Е. Наклон выходной характеристики определит нам проводимость коллекторного перехода, которая имеет обозначение h_22Б. Построенная таким образом схема будет полностью соответствовать эквивалентной схеме транзистора:

Буква Б в данном случае указывает на то, что данная схема соответствует соединению с общей базой ОБ.

Применив к левой части второй закон Кирхгофа, а к правой первый, получим:

Оба эти уравнения создают так называемую систему гибридных параметров, чем и обосновывается буква h. Если выписать все коэффициенты уравнений (параметры) в таблицу (определитель), то первый цифровой  индекс будет указывать на номер строки, а второй на номер столбца. При этом двое из этих параметров – коэффициент усиления тока h_21Б и коэффициент обратной связи по напряжению h_21Б размерности не имеют. Входное сопротивление h_11Б, измеряется в омах, а выходная проводимость h_22Б в сименсах.

Также для схемы с ОЭ существует такая  же система параметров и подобная эквивалентная схема:

Различие между схемами состоит в том, что вместо буквы Б использована буква Е. Уравнения для этой системы будут иметь вид:

На практике считается что h_12Б= h_12Э=0, поскольку при U_К>10 В смена коллекторного напряжения на выходную характеристику не влияет. Между параметрами различных схем соединений существуют следующие зависимости:

Мощность транзисторов

Все изготовляемые транзисторы разделяют на три основных группы по мощности, которая может быть выделена на коллекторе и равна произведению тока на напряжение, что приложено к коллектору:

• Транзисторы малой мощности, их мощность лежит в пределах 0<P_K<0,3 Вт;
• Транзисторы средней мощности – их пределы 0,3 Вт< P_K< 1,5 Вт;
• Мощные транзисторы Р_К больше 1,5 В.

Мощность ограничивается граничной температурой, при превышении которой может произойти тепловой пробой.

Конструктивные особенности биполярных транзисторов

На самом деле конструктивное оформление биполярных транзисторов довольно разнообразно. Давайте рассмотрим конструкцию этих элементов на примере транзистора, показанного ниже:

На массивном металлическом основании 4 размещают кристалл полупроводника 1, который имеет, к примеру, электронную проводимость. На противоположной стороне кристалла относительно грани сделаны две напайки 2 и 3 например с индию, под которым будут создаваться зоны с дырочной проводимостью. Один из этих элементов будет коллектором, а второй эмиттером – сам кристалл базой. Для всех элементов реализованы выводы, а вся конструкция накрыта корпусом во избежание механических повреждений и попадания влажности. Металлическая основа 4 отводит тепло от устройства. В более мощных устройствах могут применять радиаторы, для более высокой теплоотдачи.

Характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.7.

Рис.7. Схема включения транзистора с ОЭ.

Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные. На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Рис.8. Схема

измерений статических

параметров транзистора с ОЭ.

 

Входная статическая характеристика – это зависимость входного тока I_Б от входного напряжения U_БЭ при постоянном выходном напряжении U_КЭ. Для схемы с общим эмиттером:

I_Б = f (U_БЭ) при U_ЭК = const.

Поскольку ветви входной статической характеристики для U_КЭ> 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9а). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U₁ (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).

Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока I_К от выходного напряжения U_КЭ при постоянном входном токе I_Б. Для схемы включения с общим эмиттером:

I_К = f (U_КЭ) при I_Б = const.

Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера I_Э.

 

Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор R_К, за счёт которого изменение входного тока или напряжения U_ВХ будет вызывать изменение выходного напряжения U_ВЫХ = U_КЭ (Рис.10).

 

 

– 9 –

Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.

 

Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока I_Б от входного напряжения U_БЭ при наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:

I_Б = f (U_БЭ)

Поскольку в статическом режиме для U_КЭ> 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис.11а).

Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.

 

Выходная динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения U_КЭ от выходного тока I_К при фиксированных значениях входного тока I_Б (Рис.11б):

U_КЭ = E_К – I_КR_К

Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А, В на Рис.11б.

Координаты точки А [U_КЭ = 0; I_K = Е_К⁄ R_К ] – на оси I_K.

Координаты точки В [I_K = 0; U_КЭ = Е_К] – на оси U_КЭ.

Координаты точки Р [U_0К; I_0K] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).

– 10 –

Рис.11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.

Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.

В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).

Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току I_К0, а напряжение U_КЭ = E_К.

Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.

I_Б = max; I_К ≈ I_КН; U_КЭ = E_К – I_КН R_Н; U_КЭ → 0.

Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: I_{К доп}, U_КЭдоп, P_{К доп} (Рис.11б) и I_{Б нас}, U_БЭдоп(Рис.11а) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.

Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.

Узнать еще:

8 Основные параметры биполярных транзисторов

Параметры и обозначения параметров биполярных транзисторов устанавливаются ГОСТ 20003-74. Все параметры биполярных транзисторов можно разбить на четыре группы.

1. Параметры постоянного тока. Они характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами переходов. К ним относятся:

   0. Обратный ток коллектора (I_КБ0) – ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера.

   1. Обратный ток эмиттера (I_ЭБ0) – ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора.

   2. Обратный ток коллектор-эмиттер (I_КЭ0) – ток в цепи коллектор-эмиттер при заданном обратном напряжении коллектор-эмиттер и разомкнутом выводе базы.

Обратные токи коллектора и эмиттера зависят от температуры переходов и могут быть определены по приблизительным эмпирическим формулам:

(5.34)

где и – обратные токи коллектора и эмиттера при температуре 25⁰С;

k – коэффициент, равный 0,06…0,09 1/⁰С для германия и 0,08…0,12 1/⁰С для кремния;

Т_П – температура перехода, ⁰С.

2. Малосигнальные параметры. Они характеризуют работу транзистора при воздействии малого сигнала и подробно рассмотрены в разделе 5.

Обычно в справочниках приводятся значения h-параметров для схемы включения с общей базой или общим эмиттером. Для пересчета используют выражение:

(5.35)

Малосигнальные параметры транзистора зависят от схемы его включения, режима работы, температуры и частоты. Так, параметр h_21Е прямо пропорционален, а параметр h_11Б обратно пропорционален току коллектора. Это необходимо учитывать, если режим работы транзистора отличается от режима измерения параметров.

3. Высокочастотные параметры. Они характеризуют работу транзисторов на высоких частотах. К ним относятся:

   0. Граничная частота по определенному параметру (f_ГР) – это частота, выше которой транзистор не может быть использован как усилительный элемент. Граничная частота коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером – это частота, при которой модуль коэффициента передачи тока при включении с общим эмиттером равен единицы.

   1. Предельная частота по определенному параметру – это частота, при которой этот параметр уменьшится на 3 дБ по сравнению с первоначальным (низкочастотным) значением. Предельная частота передачи тока при включении с общей базой – это частота, при которой модуль коэффициента передачи тока меньше на 3 дБ по сравнению со значением на низкой частоте. Предельная частота по крутизне характеристики – это частота, при которой модуль крутизны передаточной характеристики при включении с общим эмиттером меньше на 3 дБ по сравнению с его значением на низкой частоте.

   2. Максимальная частота генерации (f_мах) – это наибольшая частота, при которой транзистор способен генерировать в автогенераторе.

   3. Емкость коллекторного перехода (С_К) – это емкость между выводами базы и коллектора при заданных обратных напряжениях эмиттер-база и режиме с общим эмиттером. Емкость коллекторного перехода является функцией напряжения коллектор-эмиттер:

(5.36)

где С_Ксправ – емкость коллекторного перехода, приведенная в справочнике для определенного напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ.

0. Сопротивление базы (r_Б) – это сопротивление между выводом базы и переходом база-эмиттер.

1. Постоянная времени обратной связи на высокой частоте (τ_К) – это произведение сопротивления базы на емкость коллекторного перехода.

2. Коэффициент шума (К_Ш) – это отношение мощности шумов на выходе транзистора к той ее части, которая обусловлена тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума указывается только для малошумящих транзисторов.

1. Максимально допустимые параметры. Эти параметры ограничивают область допустимых режимов работы транзистора. Превышение максимально допустимых параметров резко снижает надежность работы транзистора. Основными максимально допустимыми параметрами являются:

   0. Постоянное (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер.

   1. Постоянное (импульсное) напряжение коллектор-база.

   2. Постоянный (импульсный) ток коллектора.

   3. Постоянная (импульсная) рассеиваемая мощность.

   4. Температура перехода.

   5. Диапазон температур окружающей среды.

   6. Общее тепловое сопротивление корпуса транзистора (переход – окружающая среда). Оно определяется из:

, (5.37)

где Т_П и Т_СР – температура перехода и окружающей среды соответственно;

Р_П –мощность рассеиваемая на переходе.

Символ

, конструкция, работа, характеристики и применение

Транзисторы – один из очень важных компонентов, используемых в конструкциях электронных схем. Эти скромные компоненты можно найти почти везде; Транзисторы доказывают свое присутствие от простых схем релейных драйверов до сложных схем материнской платы. Фактически, ваши микроконтроллеры и микропроцессоры представляют собой не что иное, как набор большого количества транзисторов, синтезированных для выполнения коллективной операции. Помните, что многие переключающие устройства, такие как BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC, DIAC и т. Д.в совокупности могут называться транзисторами. Но самым основным (самым старым) транзистором является транзистор BJT, поэтому в этой статье мы подробно рассмотрим это, вы можете использовать ссылки, чтобы узнать больше о других переключателях питания.

BJT – это короткая форма Bipolar Junction Transistor , это твердотельное устройство с управлением током, которое можно использовать для электронного переключения цепи, вы можете думать об этом как о своем обычном переключателе вентилятора или света, но вместо вас включив его вручную, можно управлять электроникой.С технической точки зрения, BJT – это трехконтактное устройство с эмиттером, коллектором и выводом базы, ток, протекающий через эмиттер и коллектор, регулируется величиной тока, приложенного к базе. Опять же, вы можете представить эмиттер и коллектор как два конца вашего переключателя, и вместо нажатия переключателя у нас есть базовый штырь, который может принимать управляющий сигнал. Но как именно это работает? А как с помощью транзистора построить интересные схемы? Это именно то, на что мы ответим в этом уроке.

Обозначение биполярных транзисторов

Начнем с символа транзисторов , чтобы вы могли идентифицировать их в цепи. На приведенной ниже схеме показаны обозначения двух транзисторов типа . Слева – это символ транзистора PNP , а справа – символ транзистора NPN . Как я уже сказал, вы сможете увидеть три клеммы: эмиттер, коллектор и базу для обоих типов транзисторов.

Разница между транзисторами PNP и NPN заключается в том, что стрелка на конце эмиттера, если вы заметили, стрелка в транзисторе PNP упоминается как движущаяся от эмиттера к базе, тогда как в транзисторе NPN стрелка будет переход от базы к эмиттеру. Направление стрелки представляет направление тока в транзисторе, в PNP ток будет течь от эмиттера к базе, аналогично в транзисторе NPN ток будет течь от базы к эмиттеру.

Еще одно важное отличие состоит в том, что транзистор NPN остается открытым до тех пор, пока он не получит сигнал на выводе базы, в то время как транзистор PNP остается закрытым до тех пор, пока на вывод базы не будет подан управляющий сигнал, как показано в приведенном выше файле GIF.

Конструкция биполярного переходного транзистора

BJT образован тремя слоями полупроводниковых материалов, если это транзистор PNP, он будет иметь две области P-типа и одну область N-типа, аналогично, если это транзистор NPN, он будет иметь две области N-типа. области и одна область P-типа.Два внешних слоя – это места, где фиксируются выводы коллектора и эмиттера, а вывод базы фиксируется на центральном слое.

Конструкция может быть просто объяснена аналогией с двумя диодами для транзистора , как показано на изображении выше. Если вы хотите узнать больше о диодах, вы можете прочитать его статью. Рассмотрим два диода, соединенных друг с другом с помощью катода, тогда точка встречи может быть расширена, чтобы сформировать базовый вывод, а два конца анода действуют как коллектор и эмиттер PNP-транзистора.Точно так же, если вы соединяете анодные концы диода, то точка встречи анодов может быть расширена до клеммы базы, а два катодных конца действуют как коллектор и эмиттер NPN-транзистора.

Работа транзистора (BJT)

Практически транзистор работает очень просто, он может использоваться как переключатель или как усилитель. Но для базового понимания давайте начнем с того, как транзистор в качестве переключателя работает в цепи.

Когда управляющее напряжение подается на базовый вывод, требуемый базовый ток (I _B ) протекает на базовый вывод, который управляется базовым резистором . Этот ток включает транзистор (переключатель закрыт) и позволяет току течь от коллектора к эмиттеру. Этот ток называется током коллектора (I _C ) , а напряжение на коллекторе и эмиттере называется V _BE . Как вы можете видеть на изображении, мы используем напряжение низкого уровня, например 5 В, для управления нагрузкой с более высоким напряжением 12 В с помощью этого транзистора.

Теперь для теории, рассмотрим транзистор NPN, переход BE – с прямым смещением , а переход CB – с обратным смещением . Ширина области истощения в соединении CB больше по сравнению с областью истощения в соединении BE. Когда BE-переход смещен вперед, он уменьшает барьерный потенциал, следовательно, электроны начинают течь от эмиттера к базе. Базовая область очень тонкая и слабо легирована по сравнению с другими областями, следовательно, она состоит из очень небольшого количества дырок, электроны, которые текут из эмиттера, будут рекомбинировать с дырками, присутствующими в базовой области, и начнут течь. вне базовой области в виде базового тока.Большое количество оставшихся электронов будет перемещаться через коллекторный переход обратного смещения в виде коллекторного тока.

Основываясь на текущем законе Кирхгофа , мы можем сформулировать текущее уравнение как

  I  E  = I  B  + I  C   

Где, I _E , I _B, и I _C – ток эмиттера, базы и коллектора соответственно. Здесь базовый ток будет очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора, поэтому I _E ~ I _C

Точно так же, когда вы рассматриваете транзистор PNP, они работают так же, как транзистор NPN, но в транзисторах NPN основными носителями заряда являются дырки (положительно заряженная частица), но в транзисторе NPN носителями заряда являются электроны (отрицательно заряженные частица).

Характеристики БЮТ

BJT можно подключить в трех различных конфигурациях, оставив одну общую клемму и используя две другие клеммы для входа и выхода. Эти три типа конфигураций по-разному реагируют на входной сигнал, подаваемый на схему, из-за статических характеристик BJT. Три различных конфигураций BJT перечислены ниже.

• Конфигурация Common Base (CB)
• Конфигурация с общим эмиттером (CE)
• Общий коллектор (CC) Конфигурация

Среди них конфигурации с общей базой будут иметь усиление по напряжению, но без усиления по току, тогда как конфигурация с общим коллектором имеет усиление по току, но без усиления по напряжению, а конфигурация с общим эмиттером будет иметь усиление как по току, так и по напряжению.

Конфигурация Common Base (CB)

Конфигурация общей базы также называется конфигурацией с заземленной базой , где база BJT соединена как общая между входным и выходным сигналами. Входной сигнал BJT подается через клеммы базы и эмиттера, а выходной сигнал от BJT поступает через клеммы базы и коллектора. Входной ток (I _E ), протекающий через эмиттер, будет значительно выше по сравнению с током базы (I _B ) и током коллектора (I _C ), поскольку ток эмиттера является суммой обоих Базовый ток и ток коллектора.Поскольку выходной ток коллектора меньше входного тока эмиттера, коэффициент усиления по току для этой конфигурации будет равен единице (1) или меньше .

Входные характеристики

Вход . Характеристическая кривая для конфигураций с общей базой проведена между током эмиттера I _E и напряжением между базой и эмиттером V _EB . Во время конфигурации с общей базой транзистор смещен в прямом направлении, поэтому он будет показывать характеристики, аналогичные характеристикам прямого действия p-n диода, где I _E увеличивается для фиксированного V _EB , когда увеличивается V _CB .

Выходные характеристики

Выходные характеристики конфигурации с общей базой даны между током коллектора I _C и напряжением между коллектором и базой V _CB , здесь ток эмиттера I _E является параметром измерения. В зависимости от операции на кривой есть три разных участка, сначала активная область , , здесь BJT будет работать нормально, а эмиттерный переход смещен в обратном направлении.Затем идет область насыщения , где эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении. Наконец, область отсечки , где и эмиттерный, и коллекторный переходы смещены в обратном направлении.

Конфигурация общего эмиттера (CE)

Конфигурация общего эмиттера также называется конфигурацией заземленного эмиттера, где эмиттер действует как общий вывод между входом, применяемым между базой и эмиттером, и выходом, полученным между коллектором и эмиттером.Эта конфигурация обеспечивает максимальный ток и усиление мощности по сравнению с двумя другими типами конфигураций, это связано с тем, что входной импеданс низкий, поскольку он подключен к смещенному в прямом направлении PN-переходу, тогда как выходное сопротивление высокое. как это получается для PN-перехода с обратным смещением.

Входные характеристики

Характеристики входа конфигурации общего эмиттера рисуются между базовым током I _B и напряжением между базой и эмиттером V _BE .Здесь наиболее распространенным параметром является напряжение между коллектором и эмиттером. Если бы вы могли видеть, не будет большой разницы между характеристической кривой предыдущей конфигурации, за исключением изменения параметров.

Выходные характеристики

Выходные характеристики показаны между током коллектора I _C и напряжением между коллектором и эмиттером V _CE . Конфигурация CE также имеет три разные области: в активной области коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный переход смещен в прямом направлении, в области отсечки , эмиттерный переход слегка смещен в обратном направлении и ток коллектора не отключается полностью, и, наконец, в области насыщения и коллекторный, и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении.

Общий коллектор (CC) Конфигурация

Конфигурация общего коллектора также называется конфигурацией заземленного коллектора, в которой клемма коллектора остается общей клеммой между входным сигналом, подаваемым на базу и эмиттер, и выходным сигналом, полученным на коллекторе и эмиттере. Эта конфигурация обычно называется повторителем напряжения или схемой эмиттерного повторителя .Эта конфигурация будет полезна для приложений согласования импеданса , поскольку она имеет очень высокий входной импеданс, порядка сотен тысяч Ом, при относительно низком выходном сопротивлении.

Применение биполярных переходных транзисторов (BJT)

BJT может использоваться в различных приложениях, таких как логические схемы, схемы усиления, колебательные схемы, схемы с несколькими вибраторами, схемы ограничения, схемы таймера, схемы задержки времени, схемы переключения и т. Д.

Виды упаковки

Для лучшего использования в различных приложениях, BJT доступны в различных пакетах, таких как TO-3, TO-5, TO-8, TO-18, TO-36, TO-39, TO-46, TO-52. , ТО-66, ТО-72, ТО-92, ТО-126, ТО-202, ТО-218, ТО-220, ТО-226, ТО-254, ТО-257, ТО-258, ТО-259, ТО -264 и ТО-267. Вы также можете ознакомиться с нашими статьями о различных типах пакетов IC, чтобы узнать о популярных типах и их названиях.

Введение в BJT (биполярный переходной транзистор), распиновку, работу, характеристики и применение

Здравствуйте, дорогие студенты, надеюсь, у вас все отлично.В сегодняшнем руководстве мы рассмотрим Introduction to BJT (Bipolar Junction Transistor) . Транзистор был создан Дж. Барденом, У. Шокли и У. Браттерином в 1947 году. Название транзистора было дано этому компоненту Джоном Р. Пирсом. На момент создания он был известен как вакуумный триод твердотельного типа, но известен как транзистор. Это электронный компонент, который в основном используется для усиления и переключения.

Как следует из названия, он состоит из двух переходов, называемых переходом эмиттер-база и переходом коллектор-база.В сегодняшнем посте мы подробно рассмотрим работу, конструкцию и некоторые связанные параметры BJT (Bipolar Junction Transistor). Итак, давайте начнем с Introduction to BJT (Bipolar Junction Transistor).

Введение в BJT (биполярный транзистор)

• BJT (биполярный переходной транзистор) представляет собой электронное устройство с 3 выводами, используемое в различных схемах усиления. Он также известен как инструменты текущего контроля.

• Его 3 вывода: эмиттер, база и коллектор, также имеют два pn перехода.
• Переход, образованный через базу и эмиттер, называется переходом база-эмиттер, и комбинация базы и коллектора образует переход база-коллектор.
• Есть еще 2 типа BJT: первый – NPN, второй – PNP. Эти типы разработаны в соответствии с уровнем допинга.
• Поскольку он использовался в процессе усиления, для этого требовался внешний источник постоянного тока,
• На рисунке ниже показаны символ и внутренняя структура BJT.

БЮТ рабочий

• Для понимания работы транзистора BJT давайте обсудим внутреннюю структуру транзистора NPN.
• На рисунке ниже вы можете видеть, что эмиттерная часть транзистора n-типа сильно легирована и имеет большое количество свободных электронов.
• Свободные электроны n-области войдут в базу, которая является P-типом и имеет меньшую площадь, через переход база-эмиттер с прямым смещением. Он изображен на рисунке через широкую стрелку.
• База транзистора имеет меньшее количество отверстий, которые также являются основными носителями, показанными белыми кружками.
• Некоторые электроны, попавшие в базовую область, объединяются с дырками и движутся, как валентные электроны в базе и в эмиттере, как дырочный ток, показанный на рисунке красными стрелками.
• Электроны в сочетании с отверстием выходят из структуры основания, они движутся как свободные электроны в металлическом выводе основания и генерируют внешний ток базы.
• Из-за меньшей площади основания электроны, входящие в основание, не соединяются с отверстиями.
• Когда электроны движутся к переходу база-коллектор, который находится в состоянии обратного смещения, эти электроны движутся к коллектору из-за положительного напряжения на коллекторе.

• Электроны попадают в область коллектора во внешней цепи и после этого попадают в эмиттер транзистора с базовым током, как показано на рисунке.
• Ток эмиттера несколько больше, чем ток коллектора, поскольку меньший базовый ток делится от общего тока, вводимого в базовую область от эмиттера

БЮТ Токи

• На приведенном ниже рисунке для транзисторов NPN и PNP показаны направление тока и символ.
• Стрелка на эмиттере транзистора указывает направление обычного тока.
• На рисунках транзисторов NPN и PNP видно, что ток эмиттера равен току базы и коллектора.

I _E = I _C + I _B

• I _B меньше по сравнению с эмиттерным и коллекторным током.

Характеристики и параметры BJT

• Есть 2 основных параметра, которые описывают характеристики BJT, первый – это β _DC , который называется усилением по постоянному току, и α _DC .
• На рисунке ниже транзистор подключен со смещением постоянного тока, и показаны конфигурации NPN и PNP.
• В этой схеме переход база-эмиттер смещен в прямом направлении через V _BB , а переход база-коллектор смещен в обратном направлении через V _cc.

DC Beta (β _DC ) и DC Alpha (β _DC )

• Коэффициент усиления транзистора по постоянному току – это соотношение между постоянным током коллектора и постоянным током базы. Обозначается как (β _DC ).

(β _DC ) = I _C / I _B

• Обычно значение усиления по постоянному току составляет от менее двадцати до двухсот или более.
• В паспорте транзистора (β _DC ) обозначен как эквивалентный гибридный (h) коэффициент, h _FE .

ч _FE = β _DC

• Соотношение между постоянным током коллектора и постоянным током эмиттера известно как dc alpha или (αDC).
• Обычно бета в большей степени используется в транзисторных схемах по сравнению с альфа.

a _DC = I _C / I _E

• обычно значение _DC от 0.От 95 до 0,99 или больше, но всегда меньше единицы.
• Меньше единицы из-за того, что значение тока коллектора меньше тока эмиттера.

BJT Модель постоянного тока

• На рисунке ниже вы можете увидеть схему для NPN-транзистора, которая показывает ненасыщенный биполярный переходной транзистор как модуль с токовым входом и зависимым источником тока в качестве выхода.
• Входная цепь , диод в прямом смещенном состоянии, через который протекает базовый ток.
• Выход зависимого источника тока, форма которого похожа на ромб, имеет значение, которое зависит от базового тока I _B на входе и равно β _DC IB.

Анализ цепи BJT

• На рисунке ниже вы можете увидеть базовую схему схемы смещения транзистора.

• I _E – постоянный ток эмиттера.
• I _C – постоянный ток коллектора.
• В _BE – значение напряжения на базе по отношению к эмиттеру.
• В _CB – значение напряжения на коллекторе по отношению к базе.
• В _CE – значение постоянного напряжения на коллекторе по отношению к эмиттеру.

• В приведенной выше схеме переход база-эмиттер находится в состоянии прямого смещения из-за V _BB , а переход база-коллектор находится в состоянии обратного смещения через V _CC .
• Базовый эмиттерный переход в состоянии прямого смещения ведет себя как диод в состоянии прямого смещения и имеет значение падения напряжения на нем 0,7 вольт.

В _BE = 0,7

• В реальном транзисторе значение V _BE может составлять 0,9 вольт и зависеть от тока.
• Если мы применим KVL к вышеуказанной схеме, то у нас будет значение R _B

V _RB = V _BB – V _BE —— (1)

• По закону Ома.

В _RB = I _B R _B

• Если мы поместим значение V _RB в приведенное выше уравнение, то получим.

I _B R _B = V _BB – V _BE

• Для значения тока базы аналогично.

I _B = (V _BB -V _BE ) / R _B

• Значение на коллекторе относительно заземленного эмиттера задается как.

V _CE = V _CC – V _RC

• Здесь указано значение потери напряжения около R _C .

В _RC = I _C R _C

• Значение коллектора относительно эмиттера.

V _CE = V _CC -I _C R _C

• В приведенном выше уравнении Ic равно β _DC I _B
• Здесь указано напряжение на переходе коллектор-база.

В _CB = V _CE – V _BE

Кривые характеристик коллектора BJT

• Используя приведенную ниже схему, можно создать характеристическую кривую коллектора, которая объясняет примерно изменение тока коллектора при изменении напряжения коллектора на эмиттер V _CE для определенного значения тока базы.

• Вы также можете видеть, что V _{BB и} V _CC являются источниками переменного напряжения _. добавить рис. bjt circuit
• Предположим, что значение V _BB таково, что базовый ток I _B и Vcc равны нулю.
• В этом состоянии переход база-эмиттер и база-коллектор находятся в условиях прямого смещения, поскольку напряжение базы составляет почти 0,7 В, а напряжение на эмиттере и коллекторе равно нулю.
• I _B протекает через переход база-эмиттер, поскольку менее резистивный путь к земле и току коллектора равен 0.
• Если оба перехода транзистора находятся в состоянии прямого смещения, то транзистор находится в области насыщения.
• Это состояние транзистора, при котором ток коллектора имеет максимальное значение и не зависит от тока базы.
• С увеличением Vcc, V _CE увеличивается с увеличением тока коллектора.
• Это показано на кривой, обозначенной (b) на рисунке ниже, среди точек A и B. ток коллектора увеличивается из-за увеличения Vcc, поскольку V _CE имеет значение меньше 0.7 вольт из-за смещенного вперед коллекторного перехода.
• В идеальном случае, когда напряжение V _CE больше 0,7 В, переход база-коллектор находится в состоянии обратного смещения, и теперь диод работает в активной области.
• Когда соединение база-коллектор находится в состоянии обратного смещения, ток коллектора выравнивается и имеет постоянное значение для определенного значения тока базы, в то время как V _CE непрерывно увеличивается.

• На самом деле, I _C поднимается намного меньше, чем V _CE , из-за расширения области истощения базы-коллектора.
• Это вызывает меньшее количество отверстий в основании из-за увеличения β _DC .
• Представлен кривой b между точками B и C.
• В этой части кривой характеристическая кривая тока коллектора может быть определена с помощью этого выражения. I _C = β _DC I _B
• Если V _CE имеет очень высокое значение, соединение база-коллектор с обратным смещением теперь находится в пробое, и Ic увеличивается очень быстро, как показано справа от точки C кривой, обозначенной (b).
• Диод в этой области пробоя не работает.
• Семейство характеристических кривых коллектора формируется, когда I _C и V _CE рассчитаны на многочисленные значения I _B , как показано на рисунке (c).

• Когда I _B равен 0, транзистор находится в области отсечки, хотя ток утечки коллектора очень низкий, как показано.
• Отсечка известна как непроводящее состояние транзистора.Величина тока утечки коллектора для нуля I _B увеличена на графике для пояснения.

BJT область отсечки

• Как мы обсуждали выше, когда ток базы равен нулю, транзистор работает в области отсечки. Это показано на рисунке ниже
.
• В этой схеме основания соединения разомкнуты, что приводит к нулевому значению тока базы.
• В этом состоянии ток коллектора ICEO имеет очень меньшее значение из-за носителей, генерируемых термически.Поскольку значение ICEO очень мало, оно будет проигнорировано при анализе схемы, так что VCE = VCC.
• И база-эмиттер, и переход база-коллектор не имеют прямого смещения в области отсечки.

BJT Насыщенность

• Когда переход база-эмиттер находится в состоянии прямого смещения, IB увеличивает значение Ic также увеличивается в соответствии с этим уравнением (IC = βDCIB), в то время как VCE уменьшается из-за увеличения тока коллектора в соответствии с этим уравнением VCE = VCC – ICRC.Это объясняется на рисунке ниже.
• Когда значение VCE насыщено, переход база-коллектор находится в состоянии прямого смещения, и Ic не будет увеличиваться дальше с увеличением тока базы.
• При насыщении уравнение IC = βDCIB недействительно. VCE (sat) для точки выхода транзистора ниже изгиба коллекторных кривых и обычно составляет всего несколько десятых вольт.

Линия нагрузки постоянного тока BJT

• Отсечка и насыщение могут быть описаны применительно к характеристической кривой с использованием линии нагрузки.
• На рисунке ниже показана линия нагрузки постоянного тока, созданная на группе кривых, соединяющих точку отсечки и точку насыщения.
• Самая низкая линия нагрузки находится в точке идеальной отсечки, где I _C = 0 и V _CE = V _CC . Самая верхняя часть линии нагрузки находится в точке насыщения, где I _C = IC _{(насыщ.)} и V _CE = VCE (насыщ.).
• Между отсечкой и насыщением линии нагрузки находится активная область работы транзистора.

Подробнее о β _DC

• β _DC – очень важный фактор биполярного переходного транзистора, поэтому мы должны знать о нем больше.
• Это непостоянный параметр, его значение изменяется при изменении температуры и тока коллектора.
• Установив постоянную температуру перехода и увеличив ток коллектора, увеличьте значение β _DC до крайней точки.
• Увеличение тока коллектора за пределами этой крайней точки снижает βDC.
• Если значение тока коллектора постоянное и изменяется, значение тока β _DC изменяется в прямой зависимости от температуры.
• При повышении температуры β _DC

• На рисунке ниже показано соотношение β _DC с током коллектора и температурой перехода для BJT.
• Добавить фото
• В даташите на транзистор β _{показан постоянный ток} при определенных значениях тока коллектора.
• Для одного и того же значения Ic и температуры β _DC имеет другое значение для разных типов транзисторов из-за различий в производственном процессе.

Максимальные характеристики транзисторов BJT

• Как и в других электронных приборах, для транзисторов с биполярным переходом существуют некоторые ограничения.
• Эти ограничения определены в виде экстремальных значений и обычно указываются в технических характеристиках устройств.
• Обычно максимальные значения BJT указываются в виде VCB, VCE, VEB, Ic и рассеиваемой мощности.
• Значение, кратное VCE и Ic, должно быть меньше максимальной рассеиваемой мощности.
• Значение VCE и Ic не может быть экстремальным одновременно.
• , если VCE больше, чем ток коллектора, может быть оштрафован как.

Ic = P _{D (макс.)} / V _CE

• Если значение тока коллектора максимальное, VCE может быть оштрафован по этому уравнению.

В _CE = P _{D (макс.)} / Ic

• Для BJT кривую максимальной рассеиваемой мощности можно нарисовать на характеристической кривой коллектора, как показано на рисунке ниже.
• Эти расчеты также указаны в виде таблицы.
• Предположим, что P _{D (макс.)} составляет пятьсот милливатт, V _{CE (макс.)} составляет двадцать вольт, а IC (макс.) – пятьдесят миллиампер.
• Кривая показывает, что этот конкретный транзистор не может работать в заштрихованной части графика.

BJT Снижение номинальных значений P _{D (макс.)}

• PD (макс.) Часто указывается как двадцать пять градусов по Цельсию.Для более высоких температур значение PD (max) мало.
• В техническом описании BJT обычно указывается коэффициент снижения мощности для расчета PD (макс.) При температуре выше двадцати пяти градусов Цельсия.
• Например, коэффициент снижения мощности в два милливатта на градус Цельсия показывает, что максимальная рассеиваемая мощность снижается до двух милливатт на каждый градус Цельсия при повышении температуры.

Лист данных BJT

• На рисунке ниже показано техническое описание транзистора 2N3904 NPN.
• Вы можете видеть, что значение крайнего VCEO составляет сорок вольт.

Итак, друзья, это подробный пост о BJT. Я объяснил каждый параметр, связанный с BJT, в этом посте. Если у вас есть вопросы, задавайте в комментариях, спасибо за чтение,

Автор: Генри

http://www.theengineeringknowledge.com

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях.Я также пишу технический контент, мое хобби – изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Сообщение навигации

Биполярный транзистор

– обзор

12.3 Биполярный транзистор с гетеропереходом

Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) – это тип биполярного транзистора, который использует другой тип полупроводникового материала для областей эмиттера и базы, создавая гетеропереход .Основное преимущество HBT – более высокие частотные характеристики, которые зависят от типа используемого полупроводникового материала и геометрии устройства [22]. Например, HBT, изготовленные с использованием составного полупроводникового материала GaAs / арсенид алюминия-галлия (GaAs / AlGaAs), могут иметь f _T вплоть до сотен ГГц. Еще более высокие частоты могут быть получены с устройствами с двойным гетеропереходом InP / арсенид галлия индия (InGaAs) [9,23]. HBT находят применение либо в качестве генераторов, либо в качестве малошумящих усилителей [6,24].Еще одним преимуществом HBT является высокий КПД и высокая плотность мощности, что делает их очень подходящими для применения в усилителях мощности СВЧ [25].

Существует две версии HBT, биполярный транзистор с одинарным гетеропереходом (SHBT) и биполярный транзистор с двойным гетеропереходом (DHBT), как показано на рисунке 12.5 [26].

Рисунок 12.5. Упрощенное концептуальное сечение HBT с материалами.

В обоих случаях структура HBT обычно формируется путем создания эмиттера из материала с широкой запрещенной зоной, такого как AlInAs (1.45 эВ) или InP (1,35 эВ) и основание из соединения с более узкой запрещенной зоной, например, GaInAs (0,75 эВ). В случае SHBT один и тот же материал используется как для коллектора, так и для основания, тогда как третий материал используется в качестве коллектора в случае DHBT.

Эта смесь материалов имеет несколько преимуществ. Во-первых, ширина запрещенной зоны GaInAs, более узкая, чем у кремния и GaAs, дает InP HBT, которые имеют очень низкое напряжение включения и поэтому идеально подходят для низковольтных приложений. Во-вторых, смещение валентной зоны, которое блокирует поток дырок базового эмиттера, позволяет базовому легированию быть на один-два порядка выше в HBT, чем в устройстве с одним материалом (гомопереход).В результате снижается базовое сопротивление, увеличивается максимальная рабочая частота (fmax) и разрешаются устройства меньших размеров.

Биполярный переходной транзистор (BJT) | 3 Режим работы

Содержание

• Определение BJT
• Типы BJT
• Конфигурации
• Области применения
• Преимущества и преимущества 000

Определение биполярного переходного транзистора:

Биполярный переходный транзистор (также известный как BJT) – это особый тип полупроводникового устройства с тремя выводами, сделанными из p-n-переходов. Они могут усиливать сигнал, а также управляют током, то есть они называются устройствами, управляемыми током. Три терминала – это база, коллектор и эмиттер.

Типы BJT:

Есть два типа BJT –

• P-N-P транзистор.
• Транзистор N-P-N.

BJT состоит из трех частей: эмиттер, коллектор и база. Здесь переходы на основе эмиттера смещены в прямом направлении, а переходы на основе коллектора – в обратном направлении.

PNP-транзистор с биполярным переходом:

Эти типы транзисторов имеют две p-области и одну n-область. Область n зажата между двумя областями p.

Биполярный переходной транзистор NPN:

«NPN-транзистор – это тип биполярного переходного транзистора (БЮТ), который состоит из трех выводов и трех слоев и функционирует как усилители или электронные переключатели.”

NPN BJT с прямым смещением E – B переходом и обратным смещением B – C переходом

Что такое пробой через пробой в BJT?

В конфигурации с обратным смещением коллекторный переход увеличивается, эффективная базовая область уменьшается. При определенном обратном смещении коллекторного перехода обедненная область перекрывает базу, уменьшая эффективную ширину базы до нуля. По мере того, как коллекторное напряжение проникает через базу, потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается.В результате протекает чрезмерно большой ток эмиттера. Это явление известно как «пробивание».

Применения биполярного переходного транзистора:

Биполярный транзистор имеет очень много применений, некоторые из них –

• В логических схемах используется биполярный транзистор.
• Биполярный переходной транзистор используется в качестве усилителя.
• Транзисторы этого типа используются в качестве переключателей.
• Для разработки схем ограничения биполярный переходный транзистор предпочтителен для схем формирования сигнала.
• В схемах демодуляции также используются BJT.

Преимущества и недостатки биполярного переходного транзистора:

BJT – это силовой транзистор одного типа. Он используется в усилителях, мультивибраторах, осцилляторах и т. Д. У BJT также есть несколько недостатков, помимо своих преимуществ:

Преимущества –

1. BJT имеет лучший коэффициент усиления по напряжению.
2. BJT имеет высокую плотность тока.
3. Более высокая полоса пропускания
4. BJT обеспечивает стабильную работу на более высоких частотах.

Недостатки –

1. Биполярный переходной транзистор имеет низкую термическую стабильность.
2. Обычно он производит больше шума. Так что схема подвержена шуму.
3. Имеет небольшую частоту переключения.
4. Время переключения BJT не очень быстрое.

Характеристики биполярного переходного транзистора:

Характеристики транзистора- Конфигурации биполярного транзистора

Режимы транзистора:

Три режима транзистора:

• 07
• CE (Common-Emitter)
• CC (Common Collector)

CB-Common Base, CE-Common Emitter и CC-Common Collector Mode для транзисторов PNP и NPN обсуждался следующим образом:

Входные характеристики:

Входные характеристики транзистора находятся между током эмиттера и напряжением эмиттер-база с напряжением базы коллектора в качестве константы.

Выходные характеристики:

Выходные характеристики транзистора находятся между током коллектора и напряжением коллектор-база с постоянным током эмиттера.

Выходные характеристики распределены по различным секциям:

Активная область – В этом активном режиме все переходы смещены в обратном направлении, и ток через схему не проходит. Следовательно, транзистор остается в выключенном состоянии; работают как разомкнутый выключатель.

Область насыщения – В этом режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, и ток проходит через схему. Следовательно, транзистор остается во включенном состоянии; работают как замкнутый переключатель.

Область отсечки – В этом режиме отсечки один из переходов находится в прямом смещении, а другой – в обратном. Этот режим отсечки используется для усиления тока.

CB (Common Base)

В режиме Common Base база заземлена.Переход E-B подключается с прямым смещением во время стандартной работы; входные характеристики аналогичны p-n диоду. I _E увеличивается с увеличением | V _CB |. Если рабочее напряжение при | В _CB | увеличивается, размер обедненной области на переходе C-B увеличивается, тем самым уменьшая эффективную базовую область. «Изменение эффективной ширины базы» под действием напряжения, приложенного к клемме коллектора, называется ранним эффектом.

В режиме CB база заземлена

Из узлового анализа мы знаем,

I _E = I _B + I _C

Теперь α = отношение I _C и I _E

Итак, α = I _C / I _E

I _C = αI _E

I _E = I _B + αI _E

I _B = I _E (1- α)

График зависимости входного тока I _E от входного напряжения V _EB с выходным напряжением V _CB в качестве параметра.

Входная характеристика кремниевого транзистора с общей базой:

Выходная характеристика кремниевого транзистора с общей базой:

CE (общий эмиттер)

В режиме CE эмиттер заземлен, и между ними подается входное напряжение. эмиттер и база, а выход измеряется от коллектора и эмиттера.

β = соотношение между I _C и I _B

β = I _C / I _B

I _C = βI _B

I _E = I _B + βI _B

I _E = I _B (1+ β)

Режим общего эмиттера, эмиттер является общим для входа и выхода схемотехника.Входной ток I _B отображается в зависимости от напряжения V _BE с выходным напряжением V _CE в данный момент. Это связано с тем, что ширина обедненной области на коллекторно-эмиттерном переходе увеличивается. Это называется Early Effect.

Входная характеристика кремниевого транзистора с общим эмиттером

Выходная характеристика кремниевого транзистора с общим эмиттером

CC (общий коллектор)

В режиме CC или с общим коллектором коллектор должен быть заземлен, а вход – подается от базового коллектора, а выходной сигнал передается от коллектора к эмиттеру.

Соотношение , I _E / I _B = I _E / I _C .I _C / I _B

Или, I _E / I _B = β / α

Мы знаем α = β (1- α)

β = α β + α

I _E = I _B (1+ β)

Связь между α и β: –

Мы знаем,

, чтобы узнать больше о транзисторе, нажмите здесь

О Soumali Bhattacharya

в настоящее время инвестировано

913 913 электроники и связи.
Мои статьи сосредоточены на основных областях базовой электроники с очень простым, но информативным подходом.
Я хорошо учусь и стараюсь быть в курсе всех последних технологий в области электроники.

Давайте подключимся через LinkedIn –
https://www.linkedin.com/in/soumali-bhattacharya-34833a18b/

BJT: определение, символ, работа, характеристики, типы и приложения

Здравствуйте, друзья! Надеюсь, эта статья найдет вас счастливыми, здоровыми и довольными.Сегодня мы собираемся обсудить один из наиболее широко известных типов транзисторов, о котором вы, возможно, слышали много раз, читая о транзисторах, исследуемый транзистор – это не что иное, как «транзистор с биполярным переходом», также известный как BJT. В этой статье мы рассмотрим основы биполярного переходного транзистора, включая его значение, определение, типы, характеристики и применения. Итак, приступим.

Определение BJT

BJT в своей полной форме записывается как биполярный переходной транзистор, и мы можем определить его как,

«Биполярный переходный транзистор – это трехконтактный полупроводниковый прибор, который состоит из двух PN-переходов внутри своей структуры. и в основном используется для усиления тока »

История биполярного переходного транзистора_ BJT

• До появления биполярных переходных транзисторов в электронных схемах использовались электронные лампы, которые были очень дорогими, и они также были доступны в форме триод, который тогда был трехполюсным устройством, как транзистор.
• Триоды на электронных лампах оставались модной вещью почти полвека, но они занимали большое пространство и были менее надежными с точки зрения использования, другим серьезным недостатком было увеличение сложности, связанной с током, напряжением и т. увеличение количества вакуумных триодов в схеме.
• Итак, когда ученые покончили с управлением электронами внутри вакуумной трубки и ее неуправляемым поведением, они начали изобретать другие способы запуска и управления цепями.
• Наконец, в 1947 году усилиями Джона Уолтера и Бардина было создано грубое устройство с двухточечным контактом, которое не было даже близко к современному биполярному переходному транзистору, но заложило основу для создания твердотельного транзистора, когда раньше все был вакуум!
• После этого не столь известного предприятия Уильям Шокли предпринял успешную попытку создать транзистор с биполярным переходом, сжав вместе пластины из полупроводниковых материалов.
• И знаете что? Уильям Шокли, Джон Уолтер и Бардин были удостоены Нобелевской премии за свои достижения в 1956 году.
• Изобретение биполярных переходных транзисторов произвело революцию в мире электроники за гранью воображения.
• До последних десятилетий XIX века транзисторы с биполярным переходом производились индивидуально как отдельные компоненты и отдельные устройства, но позже, с изобретением интегральных схем, в мире произошла еще одна электронная революция.

Характеристики BJT

Вот некоторые особенности транзисторов с биполярным переходом;

• BJT, под которым мы подразумеваем биполярный транзистор с управляемым током, позже вы узнаете, как он работает.Продолжай читать!
• Как видно из названия, BJT является биполярным устройством, что означает, что он использует как электроны, так и дырки в качестве носителей заряда для выполнения своей функции.

Обозначение BJT

Биполярный транзистор с переходом, известный как BJT, имеет следующие три компонента;

• База
• Излучатель
• Коллектор
• Все три компонента представлены в приведенном ниже символе как B, E и E.

См. Схему, приведенную ниже, где показаны символы биполярных переходных транзисторов NPN и PNP;

• Направление потока тока указывается направлением стрелки.
• Символы для разных типов BJT соответственно различаются, не путайте себя, когда видите два или более немного разных!

Принцип работы биполярного переходного транзистора

• Принцип работы как NPN-, так и PNP-транзисторов почти одинаков, оба они различаются проводимостью тока через носители заряда в зависимости от большинства и меньшего заряда перевозчики.
• Биполярный транзистор NPN имеет большинство носителей заряда в виде электронов.
• Биполярный транзистор PNP имеет большинство носителей заряда в виде дырок.
• Протекание тока не является результатом основных носителей заряда, несмотря на их количество, протекание тока происходит из-за неосновных носителей заряда в транзисторе с биполярным переходом, поэтому их также называют устройствами с неосновными носителями.
• Переход эмиттер-база всегда смещен в прямом направлении.
• Переход коллектор-база, обозначенный CB, всегда имеет обратное смещение.
• Ток эмиттера записывается как IE = IB + IC
• Если мы считаем, что базовый ток очень мал при реальных измерениях, то мы можем сказать это; IE ~ IC

Типы транзисторов с биполярным переходом

Поскольку мы уже знаем основные компоненты транзистора с биполярным переходом, теперь мы обсудим его тип.Биполярный переходной транзистор бывает следующих двух типов;

• Биполярный переходной NPN-транзистор
• PNP транзистор с биполярным соединением

На приведенном ниже изображении показаны типы BJT и их использование для различных целей;

Теперь мы подробно обсудим оба этих типа.

1. Биполярный переходной транзистор NPN

Как видно из названия, в биполярном переходном транзисторе NPN полупроводник p-типа зажат между двумя полупроводниками n-типа, как кусок сыра между двумя сторонами пучка.

Обратитесь к диаграмме, приведенной ниже, для лучшего понимания;

Согласно общепринятым правилам, когда ток проходит через определенный компонент транзистора, он помечается как положительный, в то время как на выходе из компонента он обозначается как отрицательный.

Как мы уже знаем, NPN-транзистор состоит из двух PN-переходов, образованных сплавлением двух полупроводников n с одним полупроводником p-типа. Область эмиттера n-типа сильно легирована из-за того, что она должна передавать носители заряда на базу.

Основание не сильно легировано и очень тонкое по сравнению с эмиттером и коллектором, представьте себе размер ломтика сыра по сравнению с булочками! Он передает носители заряда соответствующему коллектору.

Коллектор NPN-транзистора умеренно легирован и, как следует из названия, собирает носители заряда с базы.

Работа биполярного переходного транзистора NPN

• Рассмотрим следующую принципиальную схему, чтобы понять, как работает биполярный переходный транзистор NPN.

• Как уже было сказано, биполярный транзистор NPN имеет два PN перехода, поэтому для прямого смещения мы соединяем переход база-эмиттер с источником питания VBE.
• Переход коллектор-база, представленный CE-переходом, имеет обратное смещение за счет приложения напряжения VCB.
• Область истощения двух PN-переходов различается по размеру, вы помните, что такое область истощения? Проще говоря, область истощения препятствует прохождению тока, она действует как барьер или блок для протекания тока и является областью, где отсутствуют подвижные электроны.Взгляните на диаграмму, приведенную ниже:

• Вы, должно быть, думаете о том, почему область эмиттер-база имеет меньшую область истощения, а переход коллектор-эмиттер имеет более широкую? Позвольте мне решить это за вас, это связано с тем, что область база-эмиттер смещена вперед!
• Биполярный переходный транзистор типа NPN имеет большинство электронов, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, электроны начинают течь к базе, которая слегка легирована, только несколько электронов будут объединяться с отверстиями в базе, а остальная часть затем они отправлялись к коллекционеру.Как мы обсуждали ранее, ток возникает из-за неосновных носителей заряда.
• Ток, протекающий через переход эмиттер-база, является током эмиттера IB, в то время как ток, протекающий через базу, называется базовым током и обозначается IB.
• Базовый ток IB очень ограничен по сравнению с другими типами тока, присутствующими в цепи.
• Оставшиеся электроны, пропустившие рекомбинацию, проходят через область коллектор-база к коллектору, который производит ток коллектора IC.
• Ток эмиттера записывается как; IE = IB + IC

PNP-транзистор с биполярным переходом

• PNP-транзистор с биполярным переходом состоит из двух слоев полупроводника p-типа, между которыми находится слой полупроводника n-типа.
• Вход для тока – это вывод эмиттера в биполярном транзисторе PNP.
• Базовый переход эмиттера, обозначенный EB, в этом случае смещен в прямом направлении.
• На параллельных линиях коллекторно-базовый переход, представленный CB, имеет обратное смещение.
• Ток эмиттера IE положительный, в то время как ток базы IB и ток коллектора IC отрицательны.
• Когда мы говорим о напряжении, VEB, напряжение базы эмиттера положительно, в то время как VCB и VCE отрицательны.
Биполярные переходные транзисторы
• NPN и PNP работают по одному и тому же принципу, единственная разница между ними заключается в наличии основных и неосновных носителей заряда. Можете ли вы определить ток в транзисторе PNP по изображению, приведенному ниже?

ВАХ биполярного переходного транзистора

Для изучения входных характеристик, выходных характеристик и общих токовых характеристик нам необходимо понять различные конфигурации биполярных переходных транзисторов.

Существует три типа конфигураций транзисторов с биполярным переходом, перечислим все три;

• Общая конфигурация базы
• Конфигурация общего эмиттера
• Конфигурация общего коллектора
• Перво-наперво, есть ли у вас какое-нибудь представление о характеристиках биполярного переходного транзистора или каковы они? А как мы их определяем? Проще говоря, ВАХ биполярного переходного транзистора – это просто графическое отображение тока и напряжения транзистора.
• Чтобы изучить характеристики биполярного переходного транзистора, мы рассмотрим различные режимы биполярного переходного транзистора, которые вы можете видеть на кривых.

Рабочие режимы транзистора с биполярным переходом

Есть три доминирующих области, в которых работает транзистор с биполярным переходом;

• Активная область
• Насыщенная область
• Область отсечки

Активная область биполярного переходного транзистора

• In Активная область биполярного переходного транзистора, в которой область базы коллектора смещена в прямом направлении, в то время как переход базы эмиттера смещен в обратном направлении.
• В активной области биполярного переходного транзистора транзистор работает как усилитель.

Насыщенная область биполярного переходного транзистора

В насыщенной области биполярный переходный транзистор пропускает насыщенный ток после достижения максимального значения порогового напряжения. В области насыщения наш биполярный переходной транзистор работает как переключатель, переключатель включения, а ток коллектора практически равен току эмиттера.

Область отсечки биполярного транзистора

Как видно из названия, в этой области в цепи отсутствует ток коллектора.Транзистор выключен, а коллектор находится в состоянии обратного смещения.

Изображение, приведенное ниже, отражает общую историю напряжения BJT в различных регионах;

Когда мы закончили с регионами и режимами, в которых работает наш биполярный переходной транзистор, давайте обсудим различные конфигурации и их входные и выходные характеристики

Конфигурация биполярного переходного транзистора с общей базой

В конфигурации с общей базой , клемма базы биполярного переходного транзистора подключена к входным и выходным клеммам транзистора.

Входные характеристики Общая базовая конфигурация биполярного переходного транзистора

• Входные характеристики нанесены на график между током эмиттера IE и напряжением эмиттер-база VEB для различных значений напряжения коллектор-база VCB.

• Мы можем ясно наблюдать тенденцию на графике, что базовый переход эмиттера смещен в прямом направлении, поэтому ток эмиттера IE увеличивается с увеличением значений VEB по мере увеличения напряжения базы коллектора VCB.

Выходные характеристики Общая базовая конфигурация биполярного переходного транзистора

• Выходные характеристики общей базовой конфигурации биполярного переходного транзистора нанесены на график между выходным напряжением VCB и выходным током IC, следуйте приведенному ниже графику для лучшего понимания;

• Изменение тока эмиттера IE приводит к изменению значений тока коллектора IC.
• Ток эмиттера IE и базовое напряжение эмиттера VEB положительны, потому что область смещена в прямом направлении.
• Вы можете наблюдать активную область на графике, фазу, в которой транзистор работает с максимальным потенциалом.

Конфигурация с общим эмиттером биполярного переходного транзистора

В конфигурации с общим эмиттером биполярного переходного транзистора вывод эмиттера подключается между входными и выходными клеммами, что вы уже знаете! Не так ли?

Входные характеристики Конфигурация с общим эмиттером биполярного переходного транзистора

• График для конфигурации с общим эмиттером биполярного переходного транзистора построен между базовым током IB и базовым эмиттерным напряжением VBE для возрастающих значений коллектор-эмиттер напряжение, как вы можете видеть на графике ниже;

• Из построенного графика ясно видно, что значение тока базы увеличивается с увеличением значения напряжения база-эмиттер.

Выходные характеристики Конфигурация с общим эмиттером биполярного переходного транзистора

• Для конфигурации с общим эмиттером выходные характеристики нанесены на график между током коллектора IC с различными значениями напряжения VCE коллектор-эмиттер.
• На графике представлена ​​работа транзистора с биполярным переходом в трех областях, а именно: насыщенная область, активная область, отрезанная область.
• Активная область – это область, в которой ток увеличивается с увеличением напряжения, но не достигает своего максимального значения.
• Область насыщения представляет собой ток насыщения, когда напряжение достигает максимального значения. Можете ли вы выделить все упомянутые регионы на приведенном выше графике?

• В области отсечки эмиттерная область смещена в обратном направлении с минимальным током.

Ранний эффект биполярного переходного транзистора

• Вот еще один важный термин, который следует обсудить, когда мы обсуждаем выходные характеристики биполярного переходного транзистора, который известен как ранний эффект биполярного переходного транзистора, это явление имеет важное значение. место, когда мы говорим о ВАХ биполярного переходного транзистора.Итак, без дальнейших задержек, давайте посмотрим, что такое ранний эффект в BJT?
• Как некоторые из вас могли предположить, что ранний эффект – одно из первых проявлений коллекторного тока или чего-то подобного, позвольте мне лопнуть ваш пузырь, это определенно неправда! Ранний эффект в биполярном переходном транзисторе назван в честь ученого Джеймса М. Раннего.
• Ранним эффектом в биполярном переходном транзисторе является изменение эффективной ширины области базы за счет приложения напряжения коллектор-база VCB.
• Принципиальная схема, приведенная ниже, представляет собой ранний эффект биполярного переходного транзистора;

• Это вызывает увеличение состояния обратного смещения перехода коллектор-база или, простыми словами, усиливает обратное смещение перехода коллектор-база, вызывая значительное уменьшение ширины базовой области биполярного перехода Транзистор.
• Ранний эффект довольно важен для выходных характеристик конфигурации с общим эмиттером и общим коллектором.
• Из-за раннего эффекта в биполярном переходном транзисторе коллекторный ток, представленный IC, увеличивается за счет увеличения напряжения коллектор-эмиттер VCE.
• Для лучшего понимания рассмотрим следующий график;

Конфигурация общего коллектора биполярного переходного транзистора

Вы можете пройти через следующие имена конфигурации общего коллектора, у всех нас есть псевдонимы и альтернативные имена, и то же самое касается этой конфигурации;

• Конфигурация заземленного коллектора
• Цепь повторителя напряжения
• Схема эмиттерного повторителя

• В конфигурации с общим коллектором биполярного переходного транзистора клемма коллектора остается общей внутри входной и выходной клеммы схемы, поскольку мы находимся в конце нашего обсуждения, можете ли вы сказать, какой именно входной терминал и какой из них выходной?
• Входной терминал – это место, где подается входной сигнал для базы, в то время как выходной терминал – это точка, где выходной сигнал получается между коллектором и эмиттером.
• Важно отметить, что конфигурация общего коллектора имеет очень высокий входной импеданс.

Входные характеристики Конфигурация с общим коллектором биполярного переходного транзистора

• Входные характеристики для конфигурации с общим коллектором биполярного переходного транзистора нанесены на график между током базы IB и напряжением коллектора базы VBC. Обратитесь к следующему графику для лучшего понимания:

• Базовый ток IB представлен на оси y, в то время как напряжение коллектор-база VCB представлено на оси x.
• Выходное напряжение VBC увеличивается с увеличением значения IB, вы можете следить за графиком для лучшего понимания.

Выходные характеристики конфигурации с общим коллектором биполярного переходного транзистора

• Выходные характеристики конфигурации с общим коллектором нанесены на график между током эмиттера IE и напряжением эмиттер-коллектор VCE. Следуйте графику для лучшего понимания;

• Выход для напряжения VCE нанесен на график для различных значений от нуля до максимального диапазона.
• Вы можете наблюдать различные области для выходных значений, такие как область насыщенности, активная область и область отсечения графика. Я надеюсь, что теперь у вас есть четкое представление о том, что представляют собой эти области. Это те же соответствующие значения, которые мы исследовали ранее в конфигурации эмиттер-коллектор.

Сравнение биполярного переходного транзистора с другими транзисторами

Поскольку мы обсуждали транзисторы в последнее время, давайте сравним биполярные переходные транзисторы с другими типами доступных транзисторов, такими как полевой транзистор FET и MOSFET, металлооксидный полупроводник Полевой эффект транзистор.Следующий раздел поможет вам найти четкую разницу между BJT и FET.

BJT vs FET / JFET

• Перво-наперво, оба этих транзистора принадлежат к двум разным семействам транзисторов.
• Биполярный переходной транзистор, как ясно видно из названия, является биполярным, а JFET / FET – униполярным. Если вы не имеете представления об униполярных и биполярных транзисторах, позвольте мне сказать вам, что они названы в честь процесса проводимости, который включает только один тип носителей заряда, получивший название униполярных транзисторов, и тот, который требует обоих типов заряда. носители электронов, а также дырок, их называют биполярными транзисторами.
• Bipolar Junction Transistor – это устройство, управляемое током, а FET – устройство, управляемое напряжением.
• Транзисторы с биполярным переходом немного шумнее, чем полевые транзисторы.
• Биполярные переходные транзисторы имеют более высокий входной импеданс, чем полевые транзисторы.
• Транзисторы с биполярным переходом имеют меньшую термическую стабильность, чем полевые транзисторы
• Биполярный транзистор состоит из трех функциональных компонентов, которые называются базой, эмиттером и коллектором, а полевой транзистор имеет разные компоненты, называемые базой, истоком и стоком.
• Транзисторы с биполярным переходом больше по размеру, чем полевые транзисторы.
• Транзисторы с биполярным переходом дешевле, чем полевые транзисторы.

Как вы, возможно, уже знаете, что переходные полевые транзисторы являются разновидностью полевых транзисторов, я не делал отдельной рубрики для сравнения BJT сначала с полевыми транзисторами в целом, а затем по отдельности с JFET и MOSFET.

Сравнение – похититель радости, поэтому этот предстоящий раздел о сравнении биполярных транзисторов будет последним для биполярных переходных транзисторов. Давайте начнем;

BJT против MOSFET

Давайте теперь сравним биполярные переходные транзисторы с MOSFET;

• BJT обозначает транзистор с биполярным переходом, в то время как MOSFET обозначает металлооксидные полевые транзисторы.
• Транзистор с биполярным соединением – это устройство, управляемое током, в то время как MOSFET – это устройство, управляемое напряжением.
• Транзистор с биполярным переходом состоит из трех компонентов, которые называются эмиттер-коллектор и база, в то время как полевой МОП-транзистор состоит из четырех компонентов: корпуса, истока, стока и затвора.
• Выходом биполярного переходного транзистора можно управлять, управляя базовым током, в то время как выходом полевого МОП-транзистора можно управлять, управляя напряжением затвора.
• Биполярный переходный транзистор имеет отрицательный температурный коэффициент, тогда как MOSFET имеет положительный температурный коэффициент.
• Для переключения используются как биполярные переходные транзисторы, так и полевой МОП-транзистор, но биполярный переходной транзистор имеет низкую частоту переключения, в то время как полевой МОП-транзистор имеет высокую частоту переключения.
• Транзистор с биполярным соединением – это биполярное устройство, тогда как MOSFET – это униполярное устройство.
• Биполярный переходной транзистор имеет высокое входное сопротивление, тогда как полевой МОП-транзистор имеет низкое входное сопротивление.
• Транзисторы с биполярным переходом немного шумнее, чем полевые МОП-транзисторы.
• Биполярные переходные транзисторы используются в приложениях с низким током, в то время как полевые МОП-транзисторы используются в приложениях с высокой мощностью.
МОП-транзисторы
• предпочтительнее для промышленного использования по сравнению с транзисторами с биполярным переходом из-за их более высокой эффективности.

Если вам нужен подробный обзор MOSFET, вы можете прочитать нашу подробную статью по этой теме, включая определение, типы, работу и приложения.

Применение биполярного переходного транзистора

Когда мы закончили обсуждение основ и типов биполярных переходных транзисторов, давайте обсудим некоторые из их приложений.

Мы уже знаем, что биполярные транзисторы просты и дешевле в производстве с меньшей эффективностью, чем другие современные транзисторы, такие как MOSFET, но все еще есть области, где используются только BJT, потому что, как они говорят, старое – золото! Давайте перейдем к последнему сегменту нашего обсуждения.

Биполярные транзисторы

имеют бесчисленное множество применений, но вот краткий список, который вы должны пройти, прежде чем мы подробно рассмотрим применение биполярных переходных транзисторов насквозь;

• BJT можно использовать в схемах ограничения, более подробно об этом вы можете прочитать в нашей статье о транзисторах.
Биполярные переходные транзисторы
• используются для демодуляции сигнала.
• Мы используем BJT для усиления тока из-за его характеристик усиления по току.
• Высокочастотные приложения, такие как радиочастоты, также включают биполярные переходные транзисторы.
Биполярные переходные транзисторы
• используются для проектирования дискретных схем из-за их доступности и низкой стоимости производства.
• Биполярные переходные транзисторы часто используются в аналоговых схемах.

Теперь пора подробно обсудить применение биполярного переходного транзистора;

1. BJT как коммутатор

• Вы можете легко догадаться, как BJT может работать как коммутатор, поскольку мы уже подробно обсуждали его работу. Давайте рассмотрим краткую разбивку этого процесса;
• Когда нам нужно использовать биполярный переходной транзистор в качестве переключателя, нам нужно держать нашу схему в напряжении, т.е. мы должны постоянно изменять ток между фазой насыщения и фазой отсечки биполярного переходного транзистора.Вы можете вспомнить обе фазы? Если не получается прокрутить вверх и прочитать еще раз.
• В фазе отсечки происходит обратное смещение коллекторно-базового перехода, и мы не получаем никакого тока.
• Между тем, в фазе насыщения биполярного переходного транзистора он работает на своем максимальном потенциале.
• Когда биполярный переходной транзистор работает в своей области насыщения, на цепи нет падения напряжения, и он пропускает максимальный ток в соответствии с его определенной емкостью, в этом состоянии мы принимаем его как замкнутый переключатель.
• На параллельных линиях, в отрезанной области, нет проводимости тока из-за обратного смещения, поэтому мы можем сказать, что наш биполярный переходный транзистор работает как разомкнутый переключатель.
• Теперь вы знаете, как наш биполярный переходной транзистор, также известный как BJT, работает как переключатель.

2. Биполярный переходной транзистор как усилители

• Если вы вспомните характеристики биполярного переходного транзистора, вы можете вспомнить, что биполярный транзистор действует как усилитель, когда он работает в области насыщения.
• Коэффициент усиления по току транзисторов с биполярным переходом зависит от альфа- и бета-характеристик транзистора.
• Из-за большого коэффициента усиления по току биполярный транзистор используется в усилителях в различных конфигурациях, которые мы уже подробно обсуждали, можете ли вы вспомнить какую-либо из них? Не беспокойтесь, я снова перечисляю их троих;
• Общая конфигурация
• Конфигурация с общим эмиттером
• Конфигурация с общим коллектором

3.Биполярные переходные транзисторы в логических вентилях

• Кто не прошел через мир логических вентилей, если он или она каким-то образом связаны с миром электроники! Я всегда был в отношениях любви-ненависти с логическими воротами.

Логика с эмиттерной связью

• Транзисторы с биполярным переходом являются важной частью ЭСЛ логики с эмиттерной связью.
• ECL никогда не работают в режиме насыщения, они имеют высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.
• Ток продолжает катиться между парой ECL, поэтому каждый вентиль постоянно потребляет ток. Можете ли вы подумать о каких-либо недостатках, которые это может вызвать? Позвольте мне решить это за вас. ECL рассеивает больше энергии, чем другие семейства транзисторов.
• Логика сопряжения с эмиттером также называется;

• Логика текущего режима CML
• Логика эмиттерного повторителя реле тока CSEMFL
• Логика текущего режима CML

Слияние MOSFET и BJT

• Другой разрекламированной новинкой является слияние MOSFET и BJT, в результате чего получается BiCMOS, биполярный CMOS, который использует преимущества обоих, биполярного переходного транзистора. и MOSFET.
• Если вы пытаетесь выяснить значение этого C в BiCMOS, пожалуйста, не открывайте новую вкладку, я дам вам знать, это означает комплементарный металл-оксид-полупроводник, спасибо позже!

4. Транзисторы с биполярным соединением как логарифмический преобразователь

• Изменения в соединениях BJT являются логарифмическими, поскольку мы уже знаем, что напряжение нашей базы-эмиттера изменяется с изменением алгоритма нашего тока в коллекторе. ток эмиттера и база-эмиттер во время различных режимов смещения.
• Итак, благодаря этой специальности и предсказуемости природы транзисторов с биполярным переходом, мы можем легко сделать BJT для вычисления логарифмов и антилогарифмов в любой схеме.
• Вы, должно быть, думаете, что мы можем сделать диод и для этой цели, почему мы не используем вместо него диод? Ответ кроется в высокой гибкости схемы и стабильности транзистора с биполярным переходом, чего не может обеспечить диод.

5. Транзисторы с биполярным переходом в датчиках температуры

• В предыдущем разделе мы обсуждали, что температурный коэффициент для транзисторов с биполярным переходом невелик, поэтому благодаря этому свойству они могут использоваться в качестве датчиков температуры.
• Теперь вы, должно быть, думаете, как это сделать на практике, есть простой метод измерения температуры.
• Переход база-эмиттер BJT имеет очень стабильную и предсказуемую функцию передачи тока, которая зависит от температуры, поэтому в датчиках температуры используются транзисторы с биполярным переходом.
• Существуют следующие соотношения между током и напряжением двух переходов при разных температурах;

В вышеупомянутом уравнении;

• K – постоянная Больцмана
• T – температура по Кальвину
• VBE – это базовый эмиттер тока
• IC1 и IC2 – выходной ток при одинаковой температуре на двух разных переходах.

Итак, друзья, последний сегмент применения BJT завершает наше обсуждение биполярного переходного транзистора. Я предполагаю, что вы узнали что-то новое из статьи, я знаю, что некоторые части также немного сложны для понимания, особенно если вы читаете ее в первый раз, но не волнуйтесь, по-человечески понять все невозможно сразу, дайте ему еще один шанс, даже если это биполярный переходной транзистор или что-то еще в вашей жизни, второй поворот никогда никому не повредит! Увидимся в ближайшее время с еще одним обсуждением. Хорошего дня впереди!

Поваренная книга по биполярным транзисторам – Часть 1

---

Биполярный транзистор является наиболее важным «активным» схемным элементом, используемым в современной электронике, и он составляет основу большинства линейных и цифровых ИС, операционных усилителей и т. Д.В своей дискретной форме он может функционировать как цифровой переключатель или как линейный усилитель и доступен во многих формах низкой, средней и высокой мощности. В этом вступительном эпизоде ​​основное внимание уделяется базовой теории транзисторов, их характеристикам и конфигурациям схем. Остальные семь частей серии представят широкий спектр практических схем применения биполярных транзисторов.

ОСНОВЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Биполярный транзистор (впервые изобретен в 1948 году) представляет собой трехконтактное устройство усиления тока (база, эмиттер и коллектор), в котором небольшой входной ток может управлять величиной гораздо большего выходного тока.Термин «биполярный» означает, что устройство изготовлено из полупроводниковых материалов, в которых проводимость зависит как от положительных, так и от отрицательных (основных и неосновных) носителей заряда.

Обычный транзистор сделан из трехслойного полупроводникового материала n-типа и p-типа, с базовым или «управляющим» выводом, подключенным к центральному слою, а выводы коллектора и эмиттера подключены к внешним слоям. Если он использует многослойную конструкцию n-p-n, как на рис. 1 (a) , он известен как npn-транзистор и использует стандартный символ на рис. 1 (b) .

РИСУНОК 1. Базовая конструкция (a) и обозначение (b) npn-транзистора.

---

Если он использует структуру p-n-p, как на рис. 2 (a) , он известен как pnp-транзистор и использует символ на рис. 2 (b) .

РИСУНОК 2. Базовая конструкция (a) и обозначение (b) pnp-транзистора.

---

При использовании для транзисторов npn и pnp требуется источник питания соответствующей полярности, как показано на рис. 3 .

РИСУНОК 3. Подключения полярности к (a) npn-транзисторам и (b) pnp-транзисторам.

---

Устройству npn требуется источник питания, который делает коллектор положительным по отношению к эмиттеру – его выходной ток или ток сигнала главного вывода (I _c ) протекает от коллектора к эмиттеру, а его амплитуда регулируется входным «управляющим» током ( I _b ), который течет от базы к эмиттеру через внешний токоограничивающий резистор (R _b ) и положительное напряжение смещения.Транзистору pnp требуется отрицательное питание – ток его основного вывода течет от эмиттера к коллектору и управляется входным током эмиттер-база, который течет до отрицательного напряжения смещения.

В первые годы использования биполярных транзисторов большинство транзисторов были изготовлены из германиевых полупроводниковых материалов. Такие устройства имели много практических недостатков: они были хрупкими, чрезмерно чувствительными к температуре, с электронным шумом и имели очень низкую мощность передачи. Германиевые транзисторы уже устарели.Практически все современные биполярные транзисторы изготовлены из кремниевых полупроводниковых материалов. Такие устройства надежны, обладают хорошей мощностью, не слишком чувствительны к температуре и генерируют незначительный электронный шум.

Сегодня доступно очень большое количество превосходных типов кремниевых биполярных транзисторов. На рис. 4 перечислены основные характеристики двух типичных маломощных типов общего назначения – 2N3904 (npn) и 2N3906 (pnp), каждый из которых размещен в пластиковом корпусе TO-92 и имеет штифт на нижней стороне. соединения показаны на схеме.

РИСУНОК 4. Общие характеристики и схема маломощных кремниевых транзисторов 2N3904 и 2N3906.

---

Обратите внимание, при чтении списка Рисунок 4 , что V _{CEO (max)} – это максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и эмиттером, когда база разомкнута, а V _{CBO (max)} – максимальное напряжение, которое может быть приложено между коллектором и базой при разомкнутой цепи эмиттера. I _{C (макс.)} – это максимальный средний ток, который может протекать через клемму коллектора устройства, а P _{T (макс.)} – максимальная средняя мощность, которую устройство может рассеять без использования внешний радиатор, при нормальной комнатной температуре.

Одним из наиболее важных параметров транзистора является его коэффициент передачи прямого тока, или h _fe – это коэффициент усиления по току или отношение выходного / входного тока устройства (обычно от 100 до 300 в двух перечисленных устройствах). Наконец, цифра f _T показывает доступное произведение коэффициента усиления / ширины полосы частот устройства, т. Е. Если транзистор используется в конфигурации обратной связи по напряжению, которая обеспечивает усиление по напряжению x100, ширина полосы составляет 1/100 от f _T цифра, но если коэффициент усиления по напряжению уменьшается до x10, полоса пропускания увеличивается до f _T /10 и т. Д.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

Чтобы получить максимальное значение от транзистора, пользователь должен понимать как его статические (постоянный ток), так и динамические (переменный ток) характеристики. На рисунке 5 показаны статические эквивалентные схемы npn- и pnp-транзисторов.

РИСУНОК 5. Статические эквивалентные схемы npn и pnp транзисторов.

---

Стабилитрон неизбежно формируется каждым из np- или pn-переходов транзистора, и, таким образом, транзистор (в статических терминах) равен паре обратно соединенных стабилитронов, подключенных между выводами коллектора и эмиттера, с выводом базы. подключены к их «общей» точке.В большинстве маломощных транзисторов общего назначения переход база-эмиттер имеет типичное значение стабилитрона в диапазоне от 5 В до 10 В – типичное значение стабилитрона перехода база-коллектор находится в диапазоне от 20 В до 100 В.

Таким образом, переход база-эмиттер транзистора действует как обычный диод при прямом смещении и как стабилитрон при обратном смещении. В кремниевых транзисторах смещенный в прямом направлении переход пропускает небольшой ток, пока напряжение смещения не возрастет примерно до 600 мВ, но при превышении этого значения ток быстро увеличивается.При прямом смещении фиксированным током прямое напряжение перехода имеет тепловой коэффициент около -2 мВ / ⁰ C. Когда транзистор используется с разомкнутой цепью эмиттера, переход база-коллектор действует так же. описан, но имеет большее значение стабилитрона. Если транзистор используется с разомкнутой базой, путь коллектор-эмиттер действует как стабилитрон, включенный последовательно с обычным диодом.

Динамические характеристики транзистора можно понять с помощью рис. 6 , на котором показаны типичные характеристики прямого перехода маломощного кремниевого npn-транзистора с номинальным значением h _fe (коэффициент усиления по току), равным 100.

РИСУНОК 6. Типичные передаточные характеристики маломощных npn-транзисторов со значением h _fe , равным 100 номиналу.

---

Таким образом, когда ток базы (I _b ) равен нулю, транзистор пропускает только небольшой ток утечки. Когда напряжение коллектора превышает несколько сотен милливольт, ток коллектора почти прямо пропорционален токам базы и мало зависит от значения напряжения коллектора. Таким образом, устройство может использоваться в качестве генератора постоянного тока, подавая фиксированный ток смещения в базу, или может использоваться в качестве линейного усилителя путем наложения входного сигнала на номинальный входной ток.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Транзистор может использоваться во множестве различных конфигураций основных схем, и оставшаяся часть этого вступительного эпизода представляет собой краткое изложение наиболее важных из них. Обратите внимание, что хотя все схемы показаны с использованием транзисторов типа npn, их можно использовать с типами pnp, просто изменив полярность схемы и т. Д.

ДИОД И ЦЕПИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Переход база-эмиттер или база-коллектор кремниевого транзистора может использоваться как простой диод или выпрямитель, или как стабилитрон, используя его с соответствующей полярностью. Рисунок 7 показывает два альтернативных способа использования npn-транзистора в качестве простого диодного зажима, который преобразует прямоугольный входной сигнал, связанный по переменному току, в прямоугольный выходной сигнал, который колеблется между нулем и положительным значением напряжения, т. Е. Который «фиксирует» выходной сигнал. к нулевой контрольной точке либо через внутреннюю базу-эмиттер транзистора, либо через «диодный» переход база-коллектор.

РИСУНОК 7. Схема ограничивающего диода, использующая npn-транзистор в качестве диода.

---

На рисунке 8 показан npn-транзистор, используемый в качестве стабилитрона, который преобразует нерегулируемое напряжение питания в стабилизированный выходной сигнал с фиксированным значением с типичным значением в диапазоне от 5 В до 10 В, в зависимости от конкретного транзистора. Для этого приложения подходит только переход база-эмиттер транзистора с обратным смещением. Если используется переход база-коллектор с обратным смещением, значение стабилитрона обычно возрастает до диапазона 30–100 В, и транзистор может самоуничтожиться (из-за перегрева) при довольно низких уровнях тока стабилитрона.

РИСУНОК 8. Транзистор, используемый в качестве стабилитрона.

---

На рисунке 9 показан транзистор, используемый в качестве простого электронного переключателя или цифрового инвертора. Его база приводится в действие (через R _b ) цифровым входом, имеющим либо нулевое напряжение, либо положительное значение, а нагрузка R _L подключается между коллектором и положительной шиной питания. Когда входное напряжение равно нулю, транзистор отключен и через нагрузку протекает нулевой ток, поэтому между коллектором и эмиттером появляется полное напряжение питания.Когда на входе высокий уровень, транзисторный ключ полностью включен (насыщен), и в нагрузке протекает максимальный ток, и между коллектором и эмиттером вырабатывается всего несколько сотен милливольт. Таким образом, выходное напряжение представляет собой инвертированную форму входного сигнала.

РИСУНОК 9. Транзисторный переключатель или цифровой инвертор.

---

Базовая схема Figure 9 предназначена для использования в качестве простого цифрового переключателя или инвертора, управляющего чисто резистивной нагрузкой.Его можно использовать в качестве электронного переключателя, который приводит в действие катушку реле или другую высокоиндуктивную нагрузку (например, двигатель постоянного тока), подключив его, как показано на рис. , рис. 10, , в котором диоды D1 и D2 защищают транзистор от высокоточного переключателя. – индуцированные обратные ЭДС от индуктивной нагрузки в момент отключения питания.

РИСУНОК 10. Транзисторный переключатель (цифровой инвертор), управляющий катушкой реле (или другой индуктивной нагрузкой).

---

ЦЕПИ ЛИНЕЙНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Транзистор можно использовать в качестве линейного усилителя тока или напряжения, подав соответствующий ток смещения в его базу, а затем подав входной сигнал между соответствующей парой клемм.В этом случае транзистор может использоваться в любом из трех основных режимов работы, каждый из которых обеспечивает уникальный набор характеристик. Эти три режима известны как «общий эмиттер» (, рисунок 11, ), «общая база» (, рисунок 12, ) и «общий коллектор» (, рисунки 13 и 14, ).

В схеме с общим эмиттером (которая показана в очень простой форме на рис. 11 ) резистивная нагрузка R _L подключена между коллектором транзистора и положительной линией питания, а ток смещения подается в базу через резистор R _b , значение которого выбирается для установки коллектора на значение половины напряжения покоя (чтобы обеспечить максимальные неискаженные колебания выходного сигнала).Входной сигнал подается между базой транзистора и эмиттером через конденсатор C, а выходной сигнал (который инвертирован по фазе относительно входа) принимается между коллектором и эмиттером. Эта схема дает среднее значение входного импеданса и довольно высокий общий коэффициент усиления по напряжению.

РИСУНОК 11. Линейный усилитель с общим эмиттером.

---

В схеме с общей базой в рис. 12 база смещена через R _b и развязана по переменному току (или заземлена по переменному току) через конденсатор C _b .Входной сигнал эффективно применяется между эмиттером и базой через C1, а усиленный, но не инвертированный выходной сигнал эффективно берется между коллектором и базой. Эта схема отличается хорошим коэффициентом усиления по напряжению, почти единичным коэффициентом усиления по току и очень низким входным сопротивлением.

РИСУНОК 12. Линейный усилитель с общей базой.

---

В цепи общего коллектора постоянного тока в схеме , рис. 13 , коллектор закорочен на низкоомную положительную шину питания и, таким образом, фактически находится на уровне импеданса «виртуальной земли».Входной сигнал подается между базой и землей (виртуальный коллектор), а неинвертированный выход берется между эмиттером и землей (виртуальный коллектор). Эта схема дает почти единичный общий коэффициент усиления по напряжению, а ее выход «следует» за входным сигналом. Таким образом, он известен как повторитель постоянного напряжения (или эмиттерный повторитель) и имеет очень высокий входной импеданс (равный произведению значений R _L и h _fe ).

РИСУНОК 13. Линейный усилитель постоянного тока с общим коллектором или повторитель напряжения.

---

Обратите внимание, что приведенная выше схема может быть модифицирована для использования переменного тока, просто смещая транзистор на половину напряжения питания и соединяя входной сигнал с базой по переменному току, как показано в базовой схеме на рис. 14 , в котором делитель потенциала R1-R2 обеспечивает смещение половинного напряжения питания.

РИСУНОК 14. Усилитель с общим коллектором переменного тока или повторитель напряжения.

---

На диаграмме , рис. 15, приведены характеристики трех основных конфигураций усилителя.Таким образом, усилитель с общим коллектором дает почти единичный общий коэффициент усиления по напряжению и высокий входной импеданс, в то время как усилители с общим эмиттером и общей базой дают высокие значения усиления по напряжению, но имеют значения входного импеданса от среднего до низкого.

РИСУНОК 15. Сравнительные характеристики трех основных схемных конфигураций.

---

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Рисунок 16 показывает – в базовой форме – как пару усилителей базового типа Рисунок 11 можно соединить вместе, чтобы получить «дифференциальный» усилитель или «длиннохвостую пару», которая выдает пропорциональный выходной сигнал. на разницу между двумя входными сигналами.В этом случае Q1 и Q2 имеют общий эмиттерный резистор («хвост»), а схема смещена (через R1-R2 и R3-R4), так что два транзистора пропускают идентичные токи коллектора (таким образом, давая нулевую разницу между токами коллектора). два напряжения коллектора) в условиях покоя с нулевым входом.

РИСУНОК 16. Дифференциальный усилитель или длиннохвостая пара.

---

Если в приведенной выше схеме возрастающее входное напряжение подается только на вход одного транзистора, это приводит к падению выходного напряжения этого транзистора и (в результате действия связи эмиттеров) вызывает выходное напряжение другого транзистора. транзистор поднимается на аналогичную величину, что дает большое дифференциальное выходное напряжение между двумя коллекторами.С другой стороны, если на входы обоих транзисторов подаются идентичные сигналы, оба коллектора будут перемещаться на одинаковые величины, и, таким образом, схема будет производить нулевой дифференциальный выходной сигнал. Таким образом, схема выдает выходной сигнал, пропорциональный разнице между двумя входными сигналами.

ПОДКЛЮЧЕНИЕ ДАРЛИНГТОНА

Входной импеданс схемы эмиттерного повторителя Рис. 13 равен произведению значений R _L и значений h _fe транзистора – если требуется сверхвысокий входной импеданс, его можно получить, заменив одиночный транзистор на пара транзисторов, подключенных по схеме «Дарлингтон» или «Супер-Альфа», как показано на Рисунок 17 .Здесь эмиттерный ток входного транзистора подается непосредственно на базу выходного транзистора, и пара действует как один транзистор с общим значением h _fe , равным произведению двух отдельных значений hfe, т. Е. Если каждое из них Транзистор имеет значение h _fe , равное 100, пара действует как одиночный транзистор с h _fe , равным 10 000, а полная схема имеет входное сопротивление 10 000 x R _L .

РИСУНОК 17. Эмиттерный повторитель Дарлингтона или Супер-Альфа постоянного тока.

---

ЦЕПИ МУЛЬТИВИБРАТОРА

Мультивибратор, по сути, представляет собой цифровую схему с двумя состояниями, которую можно переключать из состояния с высоким выходом в состояние с низким уровнем выхода или наоборот, с помощью сигнала запуска, который может быть получен от внешнего источника или с помощью автоматического или срабатывающий механизм синхронизации. Транзисторы могут использоваться в четырех основных типах схем мультивибратора, как показано на рисунках 18-21 .

Схема Рис. 18 Схема представляет собой простой бистабильный мультивибратор с перекрестной связью, запускаемый вручную, в котором смещение базы каждого транзистора происходит от коллектора другого, так что один транзистор автоматически отключается при включении другого. , наоборот.

РИСУНОК 18. Бистабильный мультивибратор с ручным запуском.

---

Таким образом, выход может быть понижен путем кратковременного отключения Q2 через S2, таким образом закорачивая путь Q2 база-эмиттер. Когда Q2 отключает привод базы питания R2-R4 на базу Q1, схема автоматически блокируется в этом состоянии до тех пор, пока Q1 не будет аналогичным образом отключен через S1, после чего выход снова блокируется в высоком состоянии и так до бесконечности.

На рисунке 19 в базовой форме показан моностабильный мультивибратор или схема генератора однократных импульсов.Его выход (от коллектора Q1) обычно низкий, так как Q1 обычно смещается через R5, но переключается на высокий уровень в течение заданного периода (определяемого значениями компонентов C1-R5), если Q1 на короткое время выключается посредством кратковременного закрытия кнопки « Пуск »переключатель S1.

РИСУНОК 19. Моностабильный мультивибратор с ручным запуском.

---

Фактический период времени моностабильного режима начинается при отпускании кнопочного переключателя «Пуск» и имеет период (P) приблизительно 0.7 x C1 x R5, где P выражено в мкСм, C в мкФ, а R в килом.

На рисунке 20 показан нестабильный мультивибратор или автономный генератор прямоугольной волны, в котором периоды включения и выключения прямоугольной волны определяются значениями компонентов C1-R4 и C2-R3. По сути, эта схема действует как пара перекрестно связанных моностабильных схем, которые последовательно автоматически запускают друг друга. Если периоды синхронизации C1-R4 и C2-R3 идентичны, схема генерирует свободный прямоугольный выходной сигнал.Если два периода синхронизации не идентичны, схема генерирует асимметричный выходной сигнал.

РИСУНОК 20. Нестабильный мультивибратор или автономный прямоугольный генератор.

---

Наконец, На рис. 21 показан базовый триггер Шмитта или схема преобразователя синусоидальной формы сигнала в прямоугольную. Действие схемы здесь таково, что Q2 внезапно переключается из состояния «включено» в состояние «выключено» или наоборот, когда база Q1 поднимается выше или ниже заранее определенных уровней «триггерного» напряжения.

РИСУНОК 21. Триггер Шмитта или преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный.

---

Если на вход схемы подается синусоидальный сигнал разумной амплитуды, схема, таким образом, генерирует выходной сигнал симпатической прямоугольной формы. NV

---

5. БЮТ-транзисторы – документация elec2210 1.0

5.1. Цели

Этот эксперимент предназначен для ознакомления с реальными характеристиками транзисторов с биполярным переходом (BJT) и некоторых их приложений.В частности,

1. Будем измерять принудительный базовый ток и вынужденное напряжение база-эмиттер Характеристики IC-VCE

2. Мы построим схему инвертора на биполярном транзисторе, чтобы лучше понять концепции насыщения по напряжению и току

3. Мы научимся использовать биполярный транзистор для включения большого тока с малым напряжением или током

4. Мы научимся проводить измерения кривой передачи напряжения (VTC), что является важным методом для проектирования широкого спектра аналоговых и цифровых схем, включая усилители и логические вентили

5. Мы получим больше опыта с макетной системой ELVIS II +

6. Мы продолжим развивать профессиональные лабораторные навыки и навыки письменного общения

5.4. Введение

Подробное описание BJT можно найти в главе 5 учебника ELEC 2210, Microelectronics Circuit Design by R.C. Jaeger.

Аббревиатура BJT расшифровывается как Bipolar Junction Transistor. BJT можно рассматривать как устройство, контролирующее выходной ток, ток коллектора, как правило, с входным током или напряжением. Приведенные здесь эксперименты призваны помочь вам понять фундаментальные вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзисторов в реальных условиях, а также ключевые концепции использования биполярных транзисторов в усилителях и переключателях.

Мы будем использовать 2N3904, npn BJT общего назначения с максимальным рабочим током 200 мА и максимальной рассеиваемой мощностью 625 мВт.

Клеммы C, B и E показаны на рисунке 1.

Рисунок 1: Клеммы BJT.

Выходные характеристики BJT с Fo = 25 и VA = 8 показаны на рисунке 2.

Рисунок 2: Выходные характеристики NPN.

Для каждой кривой передняя активная область – это область справа от колена, т.е.е., почти плоская часть. Область слева от колена – это область насыщения. Для коммутационных приложений BJT больше всего похож на замкнутый переключатель, когда он находится в области насыщения, где VCE невелик. Это больше всего похоже на разомкнутый переключатель, когда он находится в отключенном состоянии с iC = 0.

BJT часто используется в качестве переключателя с управлением по току, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3: NPN, используемый в качестве переключателя.

Для большинства коммутационных приложений BJT работает в области насыщения, когда он проводит ток.В этой области падение напряжения на выводах коллектор-эмиттер BJT невелико. Величина тока нагрузки в этом случае определяется значением VCC и характеристиками нагрузки и практически не зависит от входного тока или характеристик BJT.

5,6. Лабораторное упражнение

Состоит из четырех частей. Перед тем, как переходить к следующей, попросите вашу GTA подписаться на каждой части.

5.6.1. Характеристики принудительного выхода IB

1. Включите базу ELVIS и питание макетной платы.

2. Откройте панель запуска инструментов ELVIS через Пуск> Программы> National Instruments> NI

   ELVISmx для NI ELVIS и NI myDAQ> NI ELVISmx Instrument Launcher

   Рисунок 6: Расположение пусковой установки.

3. Откройте мягкую переднюю панель 3-проводного анализатора напряжения.

4. Тщательно измерьте выходные характеристики принудительного IB транзистора 2N3904 NPN следующим образом.Установите шаг Vc на 0,05 В и установите количество кривых на 5, как показано на рисунке 7. Подключите коллектор к клемме DUT + (контакт 29 на нижней левой клеммной колодке), подключите эмиттер к клемме DUT- и подключите база к клемме BASE, показанной на рисунке 7. Если смотреть на плоскую сторону транзистора, можно увидеть, что выводы эмиттера, базы и коллектора слева направо, как показано выше на рисунке 1.

   Рисунок 7: Настройки измерителя кривой для 2N3904 bjt.

   Рисунок 8: Расположение клемм 3-проводного анализатора.

5. Нажмите “Выполнить”. Трассировщик кривой должен медленно рисовать график.

6. Щелкните журнал, чтобы сохранить данные для последующего анализа. Также сохраните снимок экрана. Используя Excel или Matlab, постройте график как функцию VCE для IB = 30 мкА. Определите область насыщения и переместите активные области на свой снимок экрана.

5.6.2. Характеристики принудительного вывода VBE

Теперь мы измерим, как IC изменяется с VCE для принудительных напряжений база-эмиттер.Аналоговые выходы будут использоваться для установки напряжения базы и коллектора, а ток коллектора измеряется мультиметром ELVIS. Поскольку аналоговые выходы имеют очень малую допустимую нагрузку по току, будут использоваться два неинвертирующих ОУ с единичным усилением.

1. Соберите схему, показанную на рисунке 9. Требуется только один операционный усилитель RC4558; на каждой микросхеме по два усилителя. Подключите неинвертирующие входы к аналоговым выходам ELVIS (контакты 31 и 32), как показано.

   Рисунок 9: Схема для измерения характеристик принудительного Vbe.

   На рис. 10 показан контур операционного усилителя 4558 с помеченными контактами.

   Рисунок 10: Распиновка 4558.

2. Загрузите программу LabVIEW здесь .

3. Используйте следующие настройки, как показано на рисунке 11.

   Рисунок 11: Настройки измерителя кривой для 2N3904 bjt.

4. Сохраните снимок экрана и определите области прямой активности и насыщения.

5.6.3. Характеристики переключения транзисторов NPN

Широко используемый метод для понимания работы схемы – это развертка входного или источника напряжения, и наблюдайте, как реагирует интересующее выходное напряжение. При моделировании схемы это делается с помощью развертки постоянного напряжения. анализ. Результатом является кривая передачи напряжения (VTC). VTC полезны при анализе широкого спектра аналоговых и цифровых схем.

Здесь мы будем использовать аналоговый выход AO0 для обеспечения программируемого входного напряжения, и использовать AI0 для экспериментального измерения выходного напряжения схемы переключения транзистора NPN.Схема здесь по сути представляет собой инвертор BJT, который также можно использовать в качестве усилителя. когда точка смещения установлена ​​в область, где выходное напряжение изменяется быстрее всего с входным напряжением.

1. Постройте схему, показанную на рисунке 12. Клемма + 5V – это нижний контакт на нижней левой клеммной колодке.

   Рисунок 12: Схема переключения транзистора NPN.

2. Подключите AO0 к входу, AI0 + к коллектору, который является выходом, а AI0- к земле.

3. Загрузите программу LabVIEW здесь .

4. Измените количество шагов на 60 или 100. Нажмите «Выполнить». Вы должны увидеть график, подобный изображенному на рисунке 13. Сохраните снимок экрана.

   Рисунок 13: Схема переключения BJT VTC.

5. Подключите AI0 + и AI0- через резистор нагрузки коллектора. Повторно запустите программу. Сохраните снимок экрана. Щелкните правой кнопкой мыши график и экспортируйте данные для последующего анализа.

6. Подключите AI0 + и AI0- через резистор последовательно с базой. Повторно запустите программу и сохраните снимок экрана. Эти данные можно использовать позже для расчета базового тока.

7. Подключите AI0 + и AI0- через базу и эмиттер. Повторно запустите программу и сохраните снимок экрана.

При необходимости можно изменить шаг развертки.

Что делать в лабораторном отчете?

Обсудите, при каком Vin выходное напряжение начинает заметно падать? Как это сравнить с 0.7V, напряжение включения Si PN перехода? Напомним, что переход база-эмиттер по сути является PN-переходом, только ток электронов переносится на коллектор.

Определите 3 отдельные области работы (отсечка, прямая активная, обратная активная или насыщенная) на кривой Vout-Vin.

График IC и IB в зависимости от Vin. Объясните, как соотношение IC / IB изменяется в зависимости от Vin.

5.6.4. Транзистор как переключатель

Здесь мы используем транзистор в качестве переключателя для включения и выключения нагрузки, которая может быть светодиодом, вентилятором или динамиком.Низкое входное напряжение или ток отключает ток коллектора. Транзистор включается при высоком входном напряжении или базовом токе. Способность транзистора усиливать естественный ток позволяет нам включать и выключать гораздо больший ток, используя источник, который имеет ограниченные возможности управления током, например выход цифрового чипа. Здесь мы имитируем вывод цифрового чипа с помощью цифрового записывающего устройства.

Транзисторы

можно использовать в качестве переключателей, когда мы хотим подключить нагрузку к интегральной схеме, которую микросхема не может управлять.Здесь транзистор используется как электронное реле. Еще один способ думать об этом – это то, что транзистор используется для усиления ограниченного выходного тока микросхемы для питания гораздо большей нагрузки. В этой лабораторной работе для управления вентилятором будет использоваться транзистор NPN. Сам транзистор будет управляться цифровым записывающим устройством ELVIS, которое обычно не может питать вентилятор.

1. Постройте схему, показанную на рисунке 14. Контакты цифровых входов / выходов находятся на верхней правой клеммной колодке. Используйте DIO 0 (контакт 1).Чтобы использовать мультиметр для измерения тока, необходимо использовать разъемы COM и A, а не разъем V -> | -, как использовалось ранее. Также обратите внимание, что амперметр должен быть включен последовательно со схемой.

   Рисунок 14: Схема подключения для демонстрации BJT в качестве переключателя.

2. Откройте цифровой мультиметр, выберите DC Current и нажмите Run, как показано на рисунке 15.

   Рисунок 15: Цифровой мультиметр.

3. Откройте Digital Writer, нажмите «Выполнить» и переключите младший значащий бит (правый переключатель).

   Рисунок 16: Цифровое записывающее устройство.

4. Измерьте и запишите в таблицу значения VCE, VBE, VBC, IB и IC, когда светодиод горит и когда он не горит. Для определения IB измерьте падение напряжения на RB, используя цифровой мультиметр Fluke или ELVIS, и используйте закон Ома для расчета тока базы. Если используется бортовой вольтметр, необходимо отключить измеритель тока от коллектора. Можете ли вы подтвердить, что BJT находится в режиме насыщения, когда светодиод включен, и в режиме отсечки, когда светодиод выключен? (Подсказка: при насыщении оба перехода должны быть смещены вперед.В отсечке оба перехода должны иметь обратное смещение.