Режимы работы биполярного транзистора: Режим работы биполярного транзистора и основные физические процессы

Режимы работы транзистора: схемы, стабилизация, формулы, классы

Пример HTML-страницы

Перед тем как подавать на вход усилителя на транзисторе сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами. Используют термин «начальный режим работы транзистора» и фактически равноценный ему термин «начальный режим работы усилителя».

Для определенности обратимся к схеме с общим эмиттером и соответствующим выходным характеристикам транзистора. Тогда начальный режим работы характеризуется положением так называемой начальной рабочей точки (НРТ) с координатами (U_кэн, I_кн), где U_кэн и I_кн — начальное напряжение между коллектором и эмиттером и начальный ток коллектора. Для стабильной работы усилителя стремятся не допускать изменения положения начальной рабочей точки.

Для характеристики проблемы обеспечения начального режима традиционно и вполне оправданно рассматривают следующие три схемы:

• с фиксированным током базы;
• с коллекторной стабилизацией;
• с эмиттерной стабилизацией.

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Задать вопрос

На практике первую из этих схем почти никогда не используют. Из остальных двух схем предпочтение часто отдают схеме с эмиттерной стабилизацией. Рассмотрим каждую из этих схем.

Содержание

1. Схема с фиксированным током базы
2. Схема с коллекторной стабилизацией
3. Схема с эмиттерной стабилизацией
4. Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D.

Схема с фиксированным током базы

(рис. 2.14). На подобных схемах источник напряжения Е_к обычно не изображают.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа i_к· R_к + u_кэ− Е_к = 0
Отсюда находим ток коллектора i_к: i_к= − ( 1 / R_к ) · u_кэ+ ( 1 / R_к ) · Е_к что соответствует линейной зависимости вида у = а · х + b. Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки (как и для схемы с диодом).

Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 2.15).

В соответствии со вторым законом Кирхгофа i_б · R_б + u_бэ − Е_к = 0

Отсюда находим ток базы i_б:
i_б = − u_бэ / R_б + Е_к / R_б

Будем пренебрегать напряжением u_бэ так как обычно u_бэ << Е_к. Тогда i_б = Е_к / R_б

Таким образом, в рассматриваемой схеме ток i_б задается величинами Е_к и R_б (ток «фиксирован»). При этом i_к= β_ст · i_б + Í_ко

Пусть i_б = i_б2. Тогда HPT займет то положение, которое указано на рис. 2.15. Легко заметить, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, i_б = 0), а самое верхнее положение — точке Z (режим насыщения, i_б > i_б4).

Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:

• при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины β_ст и Í_ко, что изменяет ток I_кн и положение начальной рабочей точки.
• для каждого значения β_ст необходимо подбирать соответствующее значение R_б, что нежелательно при использовании как дискретных приборов (т. е. приборов, изготовленных не по интегральной технологии), так и интегральных схем.

Схема с коллекторной стабилизацией

(рис. 2.16).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима. В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы — коллектор транзистора соединен со входом схемы — базой транзистора с помощью сопротивления Rб.). Рассмотрим ее проявление на следующем примере.

Пусть по каким-либо причинам (например, из-за повышения температуры) ток i_к начал увеличиваться. Это приведет к увеличению напряжения u_Rк, уменьшению напряжения u_кэ и уменьшению тока i_б ( i_б = u_кэ/ R_б), что будет препятствовать значительному увеличению тока i_к, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора.

Схема с эмиттерной стабилизацией

В зарубежной литературе такую схему называют схемой с Н-смещением (конфигурация схемы соответствует букве Н). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток i_э и через это ток i_к ( i_к = i_э ). С указанной целью в цепь эмиттера включают резистор R_э и создают на нем практически постоянное напряжение u_Rэ. При этом оказывается, что i_э= u_Rэ/ R_э= const. Для создания требуемого напряжения u_R используют делитель напряжения на резисторах R₁ и R₂. Сопротивления R₁и R₂ выбирают настолько малыми, что величина тока i_б практически не влияет на величину напряжения u_R2. При этом u_R2= Eк · [ R₂/ ( R₁+ R₂)] В соответствии со вторым законом Кирхгофа u_Rэ= u_R2– u_б

При воздействии дестабилизирующих факторов величина u_бэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина u_Rэ. На практике обычно напряжение u_Rэ составляет небольшую долю напряжения Е_к.

Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АВ, В, С и D.

Рассматриваемые RС-усилители обычно работают в режиме А.

1. В режиме «А» ток коллектора всегда больше нуля (i_к > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала.
2. В режиме «В» I_кн = 0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока.
3. Режим «АВ» является промежуточным между режимами А и В.
4. В режиме «С» на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени меньшего, чем половина периода.
5. Режимом «D» называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки).

7

7.Структура и режимы работы биполярного транзистора.

 

 

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей полупроводника с чередующимися типами проводимости, разделенными р-п-переходами. Из-за близкого расположения  р-п-переходов между ними существует взаимодействие. Каждая область транзистора выполняет определенную функцию, поэтому концентрации легирующих примесей в них и названия областей различны.

Средняя область транзистора, расположенная между двумя               р-п-переходами, называется базой (B). Одна из крайних областей с наивысшей концентрацией легирующей примеси называется эмиттером (E). Основным назначением эмиттера является инжекция неосновных носителей заряда в область базы. Соответствующий          р-п-переход называют

эмиттерным. Инжектированные в базу носители диффундируют в сторону третьей области, называемой коллектором (C). Основным назначением коллектора является собирание инжектированных эмиттером носителей заряда. Соответствующий   р-п-переход, расположенный между базой и коллектором, называют коллекторным.

Существуют два типа биполярных транзисторов: п-р-п и р-п-р.  Буквы обозначают тип проводимости эмиттерной, базовой и коллекторной областей соответственно. Символическое изображение транзисторов разных типов приведено на рис. 3.18. Стрелка эмиттера показывает условное направление тока.

 

                        

 

Рис. 3.18. Символическое изображение транзисторов:

а – n-p-n-типа;  б – p-n-p-типа

 

При анализе работы биполярного транзистора ограничим наше рассмотрение приборами п-р-п-типа, которые в настоящее время используются гораздо чаще, имеют лучшие характеристики и большее усиление, особенно в интегральных схемах.

Транзисторы  р-п-р-типа по принципу действия ничем не отличаются от п-р-п-транзисторов, однако им свойственны другие полярности рабочих напряжений.

Известны три схемы включения биполярных транзисторов в электрическую цепь, при которых возможно усиление электрической мощности: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК), которые приведены на рис. 3.19 для транзистора п-р-п-типа. Кроме того на рис. 3.19 показаны внешние источники напряжений и токи, протекающие через транзистор, в нормальном режиме работы.

Любая из схем включения обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому выбор схемы включения транзистора в каждом конкретном случае зависит от требуемых условий. На практике чаще всего используется схема включения с общим эмиттером (ОЭ), которая позволяет получать наибольшее усиление по мощности.

.

                     а)                                     б)                                     в)

 

Рис. 3.19. Схемы включения транзистора:

а – схема ОБ; б – схема ОЭ; в – схема ОК

 

Структура дискретного биполярного п-р-п-транзистора приведена на рис. 3.20.

 

                           

 

Рис. 3.20. Структура дискретного       

биполярного n-p-n-транзистора 

 

Результирующее распределение примесей в областях транзистора (сплошная линия) распределения примесей при базовой и эмиттерной диффузиях (пунктирные линии) показаны на рис. 3.21.

                                         

                     

 

Рис. 3.21. Распределение примесей в дискретном биполярном

 n-p-n-транзисторе

 

 Здесь  и – поверхностные концентрации примесей при эмиттерной и базовой диффузиях, а  – концентрация примеси в коллекторной области, выполненной методом эпитаксии. Эмиттер представляет собой сильнолегированную область, о чем  свидетельствует знак “+” при обозначении типа проводимости эмиттернорного слоя – . У реальных транзисторов площади                    р-п-переходов существенно различаются. Эмиттерный переход имеет значительно меньшую площадь, чем коллекторный.

Каждый из р-п-переходов транзистора имеет донную и боковые части. Рабочей или активной областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттерного перехода (на рис. 3.20 эта область заштрихована). Остальные участки, наличие которых обусловлено технологическими  причинами, являются пассивными.

Идеализированная структура биполярного п-р-п-транзистора для его активной области приведена на рис. 3.22. Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой щириной базы , которая у современных транзисторов, как правило не превышает 1 мкм.

 

 

Рис. 3.22. Идеализированная структура биполярного n-p-n-транзистора

 

Внешние напряжения  и  создают соответствующие смещения на переходах. В зависимости от полярности напряжений  и  различают четыре режима работы транзистора (рис. 3.23):

 

           

 

Рис. 3.23. Режимы работы n-p-n-транзистора

 

1) нормальный (активный) режим, когда на эмиттерном переходе действует прямое смещение, а на коллекторном – обратное;

2) инверсный режим, когда на эмиттерном переходе действует обратное смещение, а на коллекторном – прямое;

3) режим двойной инжекции (насыщения), когда на оба перехода поданы прямые смещения;

4) режим отсечки (запирания), когда на оба перехода поданы обратные смещения.

В режимах двойной инжекции и отсечки управление транзистором практически отсутствует. В нормальном режиме управление транзистором осуществляется наиболее эффективно. Только работая в нормальном режиме, транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы, т. е. усиливать, генерировать, переключать электрические сигналы и  т. д.

Основные свойства транзистора определяются процессами, происходящими в базе. Существенное влияние на работу транзистора оказывает распределение легирующей примеси в базе. Если примесь в базе распределена равномерно (

однородная база), то в ней отсутствует внутреннее поле и движение носителей заряда имеет чисто диффузионный характер. При неравномерном распределении примеси   в области базы (неоднородная база) в ней возникает внутреннее электрическое поле, а значит, появляется дополнительная дрейфовая составляющая в движении носителей заряда. При этом необходимо так распределить примесь в базе, чтобы внутреннее поле способствовало движению носителей заряда от эмиттера к коллектору. Это возможно в случае уменьшения концентрации некомпенсированной примеси в базе   в направлении от эмиттера к коллектору (см. рис. 3.21.).

Принцип работы биполярного транзистора заключается в управлении током через обратно смещенный коллекторный переход. Известно, что в обратно смещенном р-п-переходе ток очень мал и определяется только неосновными носителями заряда, которые генерируются в области объемного заряда или вблизи нее.

Однако при появлении у границ такого перехода дополнительных источников неосновных носителей  ток через обратносмещенный переход увеличивается. Такими источниками, например, могут быть частицы высокой энергии, попадающие при внешнем излучении в диодные фотоприемники или датчики излучения.

Другой способ увеличения концентрации неосновных носителей заряда около обратно смещенного p-n-перехода заключается в размещении в непосредственной близости от него другого                      p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. Данный способ особенно удобен, так как обеспечивает электрическое управление концентрацией неосновных носителей, т. е. управление ею с помощью напряжения смещения, приложенного к этому прямо смещенному переходу.

Такая модуляция тока в одном  p-n-переходе с помощью изменения напряжения смещения другого перехода, расположенного рядом с ним, называется механизмом работы биполярного транзистора.

Эта одна из самых важных идей во всей истории развития электронных приборов.   За исследования, в результате которых эта идея была разработана и реализована, изобретатели биполярного плоскостного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 г.

ECSTUFF4U для инженера-электронщика: режимы работы BJT

Биполярный переходной транзистор (BJT) представляет собой переходной транзистор. Он может работать в трех режимах. Работа транзистора в этих режимах указана ниже:

• Режим
• Режим насыщения
• Активный режим

1. Режим отсечки:

• В режиме отсечки эмиттер-база и коллектор-база имеют обратное смещение.
• В условиях обратного смещения через устройство не протекает ток, поэтому ток в транзисторе отсутствует.
• Таким образом, в этом режиме транзистор находится в выключенном состоянии.
• В выключенном состоянии транзистора можно использовать операцию переключения для выключения приложения.

2. Режим насыщения:

• В режиме насыщения коллектор-база и эмиттер-база имеют прямое смещение.
• В условиях прямого смещения ток течет через устройство, поэтому электрический ток течет через транзистор.
• Таким образом, в этом режиме свободные электроны перетекают как от эмиттера устройства к базе, так и от коллектора к базе.
• В этом режиме огромный ток течет к базе транзистора, поэтому на этом этапе транзистор переходит в режим насыщения, и он будет находиться во включенном состоянии и действует как замкнутый переключатель.
Итак, наконец, мы заключаем, что выше два режима работы транзистора в качестве переключателя ВКЛ/ВЫКЛ.

3. Активный режим:
• В активном режиме одно соединение коллектора с базовым обратным режимом и другое соединение эмиттеров с базовым прямым смещением.
• Таким образом, в этом режиме его можно использовать для усиления тока.

Вывод: Таким образом, мы можем заключить, что транзистор работает как переключатель ВКЛ/ВЫКЛ, когда он находится в режимах насыщения и отсечки, тогда как в активном режиме он работает как усилитель тока.

Биполярный соединительный транзистор (BJT) представляет собой соединительный транзистор. Он может работать в трех режимах. Работа транзистора в этих режимах указана ниже:

• Режим
• Режим насыщения
• Активный режим

1. Вырезать режим:

• В режиме cut эмиттер-база и коллектор-база имеют обратное смещение.
• В условиях обратного смещения через устройство не протекает ток, поэтому ток в транзисторе отсутствует.
• Таким образом, в этом режиме транзистор находится в выключенном состоянии.
• В выключенном состоянии транзистора можно использовать операцию переключения для выключения приложения.

2. Режим насыщения:

• В режиме насыщения коллектор-база и эмиттер-база имеют прямое смещение.
• В условиях прямого смещения ток течет через устройство, поэтому электрический ток течет через транзистор.
• Таким образом, в этом режиме свободные электроны перетекают как от эмиттера устройства к базе, так и от коллектора к базе.
• В этом режиме огромный ток течет к базе транзистора, поэтому на этом этапе транзистор переходит в режим насыщения, и он будет находиться во включенном состоянии и действует как замкнутый переключатель.
Итак, наконец, мы заключаем, что выше два режима работы транзистора в качестве переключателя ВКЛ/ВЫКЛ.

3. Активный режим:
• В активном режиме одно соединение коллектора с базовым обратным режимом и другое соединение эмиттеров с базовым прямым смещением.
• Таким образом, в этом режиме его можно использовать для усиления тока.

Вывод: Таким образом, мы можем заключить, что транзистор работает как переключатель ВКЛ/ВЫКЛ, когда он находится в режимах насыщения и отсечки, тогда как в активном режиме он работает как усилитель тока.

Различные регионы эксплуатации BJT — электроника…

Опубликовано 08 мая 2020 г.

В нашем предыдущем уроке о транзисторах с биполярным переходом (BJT) мы обсудили их базовую структуру и принципы работы двух их типов, npn и pnp. На этот раз мы собираемся обсудить различные рабочие области BJT, чтобы научиться правильно использовать их в различных приложениях.

Но прежде чем мы обсудим различные рабочие области биполярного транзистора, мы собираемся ввести некоторые основные параметры биполярного транзистора и проанализировать базовую схему биполярного транзистора, чтобы вывести некоторые уравнения, которые помогут нам понять рабочие области.

Параметры BJT

Таким образом, первый параметр — бета DC ( β _DC ), который эквивалентен гибридному параметру ( h _FE ), который вы можете найти на даташит на транзисторы. Бета по постоянному току ( β _DC ) представляет собой отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы, что означает, что это коэффициент усиления по постоянному току транзистора. Следовательно, значение постоянного бета ( β _DC ) определяет постоянный ток коллектора.

Преобразование уравнения,

Однако, если вы проверите спецификацию BJT, вы обнаружите, что параметр DC beta ( β _DC ) не является постоянным. Он изменяется в зависимости от тока коллектора и температуры перехода. Как вы можете видеть на рисунке ниже, если предположить, что температура перехода не меняется, увеличение тока коллектора приводит к увеличению постоянного бета ( β _DC ) и достижению максимальной точки. Однако, если ток коллектора продолжает увеличиваться выше максимальной точки, коэффициент бета постоянного тока ( β _DC ) начнет уменьшаться. С другой стороны, если ток коллектора постоянный, бета постоянного тока ( β _DC ) напрямую зависит от температуры перехода.

Рис. 1. Бета постоянного тока транзистора в зависимости от изменений I _C и температуры.

Вторым параметром BJT является DC Alpha ( α _DC ). Это отношение постоянного тока коллектора к постоянному току эмиттера. Однако DC Alpha ( α _DC ) редко используется в транзисторных схемах, особенно по сравнению с параметром DC beta ( β _DC ). Его значение всегда меньше 1, потому что ток коллектора всегда меньше тока эмиттера.

Анализ базовой схемы биполярного транзистора

Теперь давайте посмотрим и проанализируем базовую схему биполярного транзистора на рис. 2, поскольку позже мы собираемся использовать аналогичную схему, чтобы понять рабочие области биполярного транзистора. Как мы видим, у нас есть два внешних источника напряжения смещения, В _BB и V _CC , и два резистора, R _B и R _C . Мы также можем видеть три важных постоянных напряжения на переходах транзисторов, V _BE , V _CE и V _CB , и три постоянных тока, I _B , I _C и I _E . .

Рисунок 2. Базовая схема BJT. Рисунок 3. Ненасыщенная модель BJT идеального постоянного тока.

Внешнее напряжение смещения V _BB смещает в прямом направлении переход база-эмиттер. Переход база-эмиттер, как вы можете видеть на рисунке 3, похож на диод. Поэтому, когда он смещен в прямом направлении, на нем будет падение напряжения, подобное диоду, примерно 0,7 В или выше. Но для упрощения мы будем использовать просто 0,7 В. Так в схеме напряжение обозначено как V _БЭ .

По закону напряжения Кирхгофа напряжение на R _B равно:

И по закону Ома напряжение на R _B также равно:

Итак,

Преобразовав уравнение, мы можем получить уравнение для Базовый постоянный ток для этой схемы BJT:

Снова используя закон напряжения Кирхгофа, мы можем получить напряжение на коллекторе по отношению к эмиттеру, которое равно V _CC минус падение напряжения на R _C :

Теперь, чтобы получить напряжение на переходе коллектор-база, нам нужно вычесть напряжение на коллекторе и напряжение на базе, которое в этой схеме равно V _CE и V _BE . Итак, V _CB это:

Обратите внимание, что коллектор здесь n-типа, а база p-типа. Если коллектор находится под более высоким напряжением, чем база, переход коллектор-база будет смещен в обратном направлении. С другой стороны, если коллектор находится под более низким напряжением, чем база, то переход коллектор-база будет смещен в прямом направлении.

Области работы BJT

Теперь мы закончили с параметрами BJT и базовым анализом схемы BJT, давайте перейдем к рабочим областям BJT. Как вы можете видеть на рисунке 4, есть три рабочие области BJT: область отсечки, область насыщения и активная область. Область разбивки не включена, так как для BJT не рекомендуется работать в этой области.

Рис. 4. Рабочие регионы BJT. I _C по сравнению с V _CE кривая для различных значений I _Б .

Область отсечки

Итак, давайте начнем с области отсечки, так как ее легче всего понять. Непроводящее состояние BJT попадает в область отсечки. Как снова показано на рисунке 4, BJT работает в области отсечки, когда I _B равен нулю. При этом не должно быть тока, который будет протекать через коллектор. Однако в действительности будет очень небольшой ток утечки коллектора, который будет протекать из-за термически произведенных носителей. Но так как этот ток утечки коллектора очень мал, им можно пренебречь и V _CE будет считаться примерно равным V _CC , как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Область отсечки, где I _B равно нулю, а V _CE считается примерно равным V _CC .

Область насыщения

Биполярный транзистор работает в области насыщения, когда ток его коллектора не зависит от тока базы и достигает максимума. Условием для этого является то, что и переход база-эмиттер, и переход база-коллектор должны быть смещены в прямом направлении. Например, на рисунке 6 у нас есть схема BJT, которая похожа на схему, которую мы недавно анализировали, хотя их отличие состоит в том, что внешние напряжения смещения здесь переменные.

Рисунок 6. Базовая схема BJT с переменными V _BB и V _CC .

Предположим, что схема сконфигурирована в этом состоянии, V _BB сместит переход база-эмиттер в прямом направлении и создаст определенное значение I _B , в то время как V _CC равно нулю. В этом случае V _BE будет примерно равно 0,7 В, а на эмиттере и коллекторе будет 0 В. Поскольку мы недавно анализировали базовую схему BJT, помните, мы упоминали, что если коллектор находится под более низким напряжением, чем база, то переход коллектор-база будет смещен в прямом направлении. Поскольку здесь базовое напряжение, составляющее примерно 0,7 В, выше, чем напряжение коллектора, равное 0 В, переход база-коллектор смещен в прямом направлении.

Рисунок 7. Базовая схема BJT с переменным V _BB и фиксированным V _CC .

Теперь на рисунке 7 мы устанавливаем V _CC на ненулевое значение, затем увеличиваем базовый ток, увеличивая V _BB . В этом случае I _C увеличивается, а V _CE уменьшается, поскольку падение напряжения на R _C также увеличивается. По мере дальнейшего увеличения I _B , I _C также увеличивается до тех пор, пока V _CE не достигнет напряжения насыщения (V _CE(sat) ). На этот раз BJT достигает насыщения, и I _C больше не может увеличиваться независимо от увеличения I _B .

Активная область

Рис. 8. Линия нагрузки постоянного тока.

Используя грузовую линию, мы видим, что точка отсечки находится в нижней части грузовой линии, где I _C равно нулю, а V _CE равно V _CC , а в верхней части грузовой линии точка насыщения, где I _C равна I _C(sat) и V _CE равно V _CE(sat) . Между отсечкой и насыщением вдоль линии нагрузки находится активная область BJT, также известная как линейная область. Для работы биполярного транзистора в активной области условием является то, что переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. В этой области I _C практически остается постоянным при заданном значении I _B . Но по мере увеличения V _CE I _C немного увеличивается, поскольку область обеднения база-коллектор расширяется. Когда BJT работает в активной области, в идеале его выходной сигнал является линейным воспроизведением входного сигнала.

---

Применение/Сводка

Знание различных рабочих областей BJT поможет вам использовать его в различных приложениях. Например, концепцию областей отсечки и насыщения можно использовать для работы биполярного транзистора в качестве переключателя. Когда BJT работает в области отсечки, его можно использовать как открытый переключатель, а если он работает в области насыщения, BJT можно использовать как замкнутый переключатель. BJT также можно использовать в качестве усилителя, если правильно сместить его для работы в активной или линейной области. Я надеюсь, что вы нашли это руководство интересным или полезным.