Реферати українською » Физика » Біполярні транзистори


Реферат Біполярні транзистори

Страница 1 из 4 | Следующая страница

>Биполярние транзистори

 

Пристрій і принцип дії біполярного транзистора.Биполярним транзистором називають підлозіпроводниковий прилад має два взаємодіючих між собоюp-n переходу. Технологія виготовлення біполярних транзисторів може бути різною – сплавлення, дифузія тощо. це у значною мірою визначає характеристики приладу.

Залежно від послідовності чергування областей з різними типом провідності розрізняютьn-p-n транзистори іp-n-p транзистори. Середня частина аналізованих структур аналізованих структур називається базою, одна крайня область називається колектором іншаемиттером в несиметричних структурах.

>Электрод бази розташовується ближчі один доемиттеру, а ширина бази залежить від частотного діапазону транзистора і на підвищення частоти зменшується. Узависимости від полярності напруг, прикладених до електродах транзистора,различа ютследущие режими його роботи: лінійний (>усилительний), насичення, відсічення і інверсний.

У лінійному режимі роботи транзистораемиттерний перехід зміщений в пручимом напрямі, аколлекторний — у протилежному. У режимі насичення обидва пере ходу зміщено у напрямку, а режимі відсічення — у протилежному. І, нарешті, в інверсному режиміколлекторний перехід зміщений у прямомунаправлении, аемиттерний — у протилежному. Крім розглянутих режимів може бути іще одна режим, що є не робочим, а аварійним — це режим пробою.

Робота транзистора полягає в управлінні струмами електродів в залежности від прикладених для її переходами напруг. У лінійному режимі, коли перехідбаза-емиттер відкритий завдяки прикладеному щодо нього напрузі Є,=t/бе, нього протікає струм бази1ц.Протекание струму бази призводить доин-жекции зарядів в галузі колектора до області бази, причому струм колектора окреслюєтьсяi^=Bi„ де У — коефіцієнт передачі струму бази. Пряме напряжениеС/бе наемиттерном переході пов'язані з струмом колектора рівнянням Еберса —Молла

ідо=I>k>б.о(eU>бз/jт-1), (4.1)

де I>кб.о — зворотний струмколлекторного переходу за його зворотному зміщення, (jт-— теплової потенціал.

З рівняння (4.1) слід, що з прямому зміщенняемиттерного переходу і виконання умови1/бе><рг, струм колектора зростає зі зростанням напруження1/ве по експонентному закону:

ідо=I>k>б.оeU>бз/jт, (4.2)

де eU>бз/jт — контактна різницю потенціалів.

При зміні полярності напруги наемиттерном переході транзистор перетворюється на режим відсічення і струм колектора дорівнює зворотному токуколлекторно го переходуЛ.обр^кв.о. З рівняння (4.1) легко знайти напруга наемиттерном переході

U>бе=jт>ln(I>k/I>кб.о+1), (4.3)

Оскільки фт=>25мВ приГ=ЗООК, то вже за часів напрузі [/>ае^ЮОмВ вважатимуться, що (/в^=<>Pтln(^к/^кб.o) Вихіднівольт-амперние характеристикитранзистора наведено на рис. 4.2 про.Линейная область, на цих характеристикахотмече на штрихової лінією.Транзистор перебуватиме у лінійної області, якщо напруга на колекторі досить великий і виходить поза кордон штрихової лінії.

Зазначимо деякі особливості характеристик транзистора в лінійної проласти. По-перше, прирощення струму колектора пропорційно зміни струму бази. По-друге, струм колектора майже залежить від напруги наколлек торі.В-треть їх, напруга з урахуванням залежить від напруги на колекторі і найгірш залежить від струму бази.

З сказаного слід, що у лінійному режимі транзистор для малих збільшень струму бази усунути джерелом струму колектора,управляемого струмом бази. У цьому, якщо знехтувати падінням напруги між базою іемиттером, можна вважати такий перехід коротким замиканням. У результате для лінійного режиму можна використовувати найпростішу модельтранзистора, наведену на рис. 4.3 а.

Користуючись цієї моделлю, можна легко розрахувати коефіцієнт посиленнякаскада, зображеного на рис. 4.3 б. Замінюючи транзистор його моделлю, одержимо еквівалентну схему, зображену на рис. 4.3 в. З цією формули знаходимо і>k= Uз/Rб; і>k=Bіб U>k= і>kRn=BiбRn звідки

U>cBR» Un= Uз>BRn/ Rб чи Kn= Rn/ Rб

Якщо потрібно зробити розрахунок точнішим, то модель транзистора можна ускладнити запровадженням інших, параметрів, які враховувалися присоставлении схеми.Схеме заміщення відповідаютьуравнения, які називаються рівняннями транзистора вЯ-параметрах

Uбj= H11іб + H12U>kj

I>k= H21іб + H22U>kj .

Фізичний сенс параметрів, які у системі рівнянь (4.4),мож але легко встановити, згідно з режимами холостого ходу на вході схеми і короткого замикання їхньому виході.

При холостому ході на входіг'б=0, звідки знаходимо два параметра

H12= Uбj/ U>kj і H22= і>k/ U>kj (4.5)

Аналогічно при короткому заступникикании не вдома (>и^=0) знаходимо дві інші параметра

H11= Uбj/ іб і H21= і>k/ іб (4.6)

Параметри холостого ходу відповідно до (4.5) позначаються як: Я^ — зворотна передача в напрямі іНц — вихідна провідність. Параметри короткого замикання визначаються з (4.6) і мають значення:Яц — вхідний опір, М^ — пряма передача по току.

Так, приЯц=Я)2=Ям=0

Зазначимо, що у довідниках з транзисторів зазвичай наводяться в усіх чотириЯ-параметра, лише окремі. Обов'язково наводиться пара метрНц=В — коефіцієнт передачі по току, інші ж, якщо де вони наводять ся, інколи можна розрахувати по рівнянням (4.5) і (4.6).

Для переходу із лінійного режиму на режим насичення необхідноувеличивать струм бази до того часу, поки напруга на колекторі не знизиться до такого значення, у якому станеться' відмиканняколлекторного переходу. Така ситуація може виникнути у схемі рис. 4.3 б, як уколлекторной ланцюгавключе але опір навантаження R^. І тут збільшення струму бази ^ призведе до підвищення струму колектора р„- Через війну збільшиться падіння напруги на навантаженні R» і зменшиться напруга на колекторім„е. Умовою насиченнятранзистра є рівність нулю напруги

U>кб=Uдоj-Uбj=0. (4.7)

При глибокому насиченні транзистора виконується умоваи^>0. У кожному разі за перехід у режим насичення у базі протікає надлишковий струм, т. е. струм бази перевищує значення, необхідне одержання цього струму колектора під час роботи транзистора в лінійному режимі. Виконання умовии^=0 зазвичай називають граничним режимом, оскільки він характеризує перехід транзистора з лінійного режиму на режим насичення. Глибину насичення транзисторахарактеризуют коефіцієнтом насичення, який диктують як ставлення струму бази I& нас транзистора в насиченому режимі до току бази /g^ в граничному режимі

>q= Iб сел/ Iб грн (4-8)

При глибокому насиченні транзистора у базі нагромаджується великаколичество неосновних носіїв, які затримують вимикання транзистора.

Бо у режимі насичення напруга між колектором іемиттером достаточно мале, то цьому режимі транзистор усунути замкнутимключом, у якому падає невелику напругу. Схема заміщення транзистора як насичення приведено на рис. 4.5 а. Відповідно до цієї схемоюзамещения напруга на насиченому ключі визначається за такою формулою

U>kj. сел= I>kRсел+ En, (4.9)

де Rсел. опір насиченого ключа, En=0,5... 0,1 У. У довідкових даних на транзистори зазвичай наводиться значенняС/„енас при заданому струмі колектора.

Іншим ключовим режимом біполярного транзистора є режимотсеч кі. Перевести транзистор в режим відсічення можна додатком між базою іемиттером зворотного напруги.Граничним режимом у разі є виконання умовии^О. Усоответствии з цією схемою заміщення транзистор як відсічення має деяке досить великий опірRy і відомства паралельно включений йому генератор невеликого струму витоку />ут^./кбо- На вольт-амперних характеристикахтранзистора, наведених на рис. 4.2 а, режиму відсічення відповідає горизонтальна чиния приi'8=0.

У довідкових даних на транзистори для режиму відсічення зазвичай наводить ся зворотний струм колектор —емиттер /„л при заданому напрузі наколлек торі і за заданому опір R, включеному між базою іемиттером. Отже, два ключових режиму транзистора — режими насичення і південь від січки — використовувати транзистор як замкнутий чи розімкнений ключ P.S.

>Транзисторние ключі знаходять широке використання у різних електронних пристроях: вимірювальних підсилювачах для комутації сигналів, у силовихпреобразователях частоти та інших. В усіх цих цілях транзисторпоперемен але перекладається з режиму насичення в режим відсічення і навпаки. У зв'язку з цим дуже важливим є швидкість перемикання такого ключа, що зазвичай характеризується часом перемикання чи максимальної частотою комутації.

Останнім режимом роботи транзистора є інверсний режим, у якомуколлекторний перехід зміщується у напрямку, аемиттерний у протилежному.

За суттю, у тому режимі колектор іемиттер змінюються місцями й роль колектора тепер виконуєемиттер. Якщо транзистор несиметричний, то зазвичай, у інверсному режимі падає посилення транзистора (>вщп,<Дл,,в)-

Найчастіше інверсний режим транзистора використовують удвунаправленних ключах. І тут транзистор робиться симетричним та її посилення мало змінюється при заміні колектора іемиттера. У цихтранзисторах області колектора іемиттера мають однакові властивості і геометричні розміри, тому всяка їх може працюватиме, якемиттер чи колектор. Для симетричних транзисторів характеристики в інверсному режимі подібніхарактеристикам в лінійному режимі.

Динамічні характеристиці біполярного транзистора. Динамічніхарактеристики транзистора по-різному описують її поведінка в лінійному чи ключовому режимах. Для ключових режимів дуже важливим є час переключения транзистора вже з стану до іншого. У той самий час дляусилительного режиму транзистора важливішими є її властивості, які показують можливість транзистора посилювати сигнали різних частот.

Струм колектора сягаєустановившегося значення не відразу після подачі струму до бази. Є кілька днівзадержки /зад, через що з'являється струм в колекторі. Потім струм в колекторі плавно наростає і після часуt»sp сягає» встановленого значення7кл.

і>вкл=ізад+ іпір, (4.10)

де і>вкл, — час включення транзистора.

При вимиканні транзистора на сто базу піде зворотне напруга, у результаті струм бази змінює свій напрям і невдовзі стає рівним />блик. Поки відбувається розсмоктування неосновних носіїв заряду у базі, цей струм не змінює значення. Це час називається часом розсмоктуванняг„с. Післяокончания процесу розсмоктування відбувається спад струму бази, що триває протягом часуtea- Отже, час вимикання транзистора одно

і>вик= ірас+ і>сп. (4.11)

Слід підкреслити особливо, що з вимиканні транзистора, попри зменение напрями струму бази, транзистор протягом часуtyc залишаєтьсявключенним іколлекторний струм не змінює значення. Спад струму колектора починається одночасно з спадом струму бази й закінчуються вони одночасно.

Час розсмоктування залежить від ступеня насичення транзистора перед його вимиканням. Мінімальна час вимикання виходить при граничному режимі насичення. Для прискорення процесу розсмоктування до бази пропускають про ратний струм, який залежить протилежного напруги з урахуванням. Протеприкладивать до бази велике зворотне напруга не можна, оскільки може відбутися пробою переходубаза-емиттер. Максимальне зворотне напруга з урахуванням звичайно перевищує5...7В.

Якщо до бази транзистора у процесі замикання не прикладається зворотне напруга (наприклад, база замикається наемиттер), то таке запираннятранзистора називається пасивним. При пасивномузапирании час розсмоктуваннязначительно збільшується, а зворотний струм бази зменшується.

Форма імпульсу струму колектора як змінюється з допомогою розтягування тривалості фронтів, однак і імпульс збільшується в тривалості тимчасово {>pie. У довідкових даних ставлять часивключения, спаду і розсмоктування. Длянаиболее швидких транзисторів часрассасивания має значення 0,1 ...>0,5мкс, проте до багатьох силових транзисторів воно достигаетЮмкс.

Динамічні властивості транзистора вусилительном режимі прийнятохарактеризовать не часом вмикання або виключения, яке частотнимихарактерис на тик. Є багато різних моді лей транзисторів, працівників високих частотах, проте найбільшраспространенними є моделі, засновані на схемою заміщенняДжиаколетто іаппроксимации залежності коефіцієнта пере дачі струму бази (чиемиттера) на високої частоті. Розглянемо спочатку схему заміщення транзистора, запропоновануДжиако-лстто. Ці схема приведено на рис. 4.8 чи єП-образную схему, у якій підсилювальні властивості транзистора враховані крутизною P.S йоговольт-амперной характеристики (т. е. провідністю прямий передачі), а частотна залежність підсилюючих властивостей визначається урахуванням ємностей між базою і колектором — З„ і базою іемиттером — З,.Достоинство цієї схеми заміщення у тому, що вона із достатньої для практичних розрахунків точністю відбиває реальний властивість транзисторів на високих частотах. З іншого боку, всіх параметрів елементів цієї схеми заміщення можна легко виміряти чирассчи тать.

На схемою заміщення (рис. 4.8 а) точки Б, До я Еге є реальними виведення ми бази, колектора іемиттера транзистора. Крапка Б' перебуває всерединітранзистора і, отже, доступу до неї немає. Опірrg, те що розмежовує точки Б і Б', називають розподіленим опором бази. Активна провідність g, і ємність З, спільно відбивають повну провідністьемиттерного переходу. Ставлення цих величин називається постійної часуемиттерного переходут,=Се/^е і південь від режиму роботи транзистора слабко.

Впливколлекторного переходу враховано його повної провідністю, перебуваючищей з g^ і З„. Ставлення цих параметрів називається постійної часу кіллекторного переходу •^до=>C,^/?к і майже залежить від режиму роботитранзистора.Проводимостьgt зазвичай дуже мала, а ємність З» кілька зменшує ся зі збільшенням напруги на колекторі.

Наявність зв'язок міжемиттером і колектором враховано у схемі заміщення активної провідністю ^>ек- Д™ високочастотних транзисторів ця проведимость настільки мале, що яку можна нехтувати. Джерело струмуSuy.,, включенийний між колектором іемиттером, аналогічний джерелу струмуН^е, наведеноному у схемі заміщення рис. 4.4, однак у на відміну від останнього він управляється не струмом базиif,, а напругоющ-у

Ця схема пояснює причини, що призводять до зменшення посиленнятранзис тору на підвищення частоти. По-перше, зі зростанням частоти зменшується повна провідністьемиттерного переходу, що зумовлює збільшення струму »е повеличению падіння напруги наf«.

>Рис. 4.8. Схема заміщення транзистора на високої частоті (чи частотна залежність коефіцієнта передачі струму бази (б)

Отже, котра управляє напругаMe., для джерела струму зменшується зі зростанням частоти і, отже, зменшується посилення транзистора.

Додаткове зниження посилення зумовлено впливомколлекторной провідності, що також зменшується зі зростанням частоти. Через війну струм бази ще збільшується, що зумовлює додатковому зниження напряжения «>в-е.

Іншим способом обліку впливу частоти на підсилювальні властивостітранзис тору є апроксимація залежності коефіцієнта передачі струму бази від частоти, т. е. замість постійного значення коефіцієнта передачі струму бази У використовуєтьсячастотно-зависимий коефіцієнт

b(w)= h>21з(w)= b0 / 1+j(w /wb)                  (4.12)

де: ^>о^В — коефіцієнт передачі струму бази на низькою частоті,t0p —предельная частота коефіцієнта передачі струму бази.

Модуль частотною залежності коефіцієнта передачі струму базиопределяется за такою формулою

                                    (4.13)

На частотію=й)р модуль коефіцієнта передачі зменшується протиро вл/2= 1,41 разу. Якщо <>B>3(0(i, то частотна залежність коефіцієнта переду чи струму бази набуває вигляду

                                 (4.14)

де <»>r=pot0p гранична частота коефіцієнта передачі струму бази, де коефіцієнт передачі струму знижується до одиниці.

Розглянута частотна залежність коефіцієнта передачі струму бази приведено на рис. 4.8 б. Слід враховувати, крім падіння посилення зі зростанням частоти має місце фазовий зрушення вихідного сигналу проти вхідним, визначається формулою

                                        (4.15)

Оскільки фазовий зрушення залежить

Страница 1 из 4 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація