5. Биполярные транзисторы.

Биполярный – двуполярный.

Ток протекает через проводник двух проводимостей. Работа основана на взаимодействии двух p-n-переходов.

1. Схема p-n-p-транзистора с общей базой.

Условиями нормальной работы транзистора являются:

- узкая слабо насыщенная подвижными зарядами база;

- к эмиттерному переходу (ЭП) прикладываем прямое напряжение, а к коллекторному переходу (КП) – обратное.

1. Под действием прямого напряжения на эмиттерном переходе возникает диффузионный ток основных носителей заряда. Этот ток будет состоять из тока дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер). Но ток подвижных зарядов в эмиттере больше, чем в базе, то ток будет определяться током из эмиттера в базу. Такой процесс называется инжекцией (впрыскивание); область, откуда инжектируются носители, называется эмиттером (Э), а область куда инжектируются – базой (Б). Этот процесс характеризуется коэффициентом инжекции. Он показывает, какую долю в токе через ЭП составляет ток эмиттера.

I_э – полный ток через ЭП

I_эp – ток дырок из Э в Б

I_эn – ток электронов из Б в Э

2. В Б перешедшие из Э дырки рекомбинируют с ее электронами, образуя ток базы очень маленький, так как мало электронов и она узкая, поэтому основная масса доходит (переносится) до КП, этот процесс характеризуется коэффициентом переноса.

Базовый ток – это ток восполнения количества электронов в базе от источника U_эб по условию электрической нейтральности.

3. Так как к КП приложено обратное напряжение, то оно является ускоряющим (захватывающим) полем для дырок, дошедших до него. Эти дырки захватывают КП и подаются в коллектор (собиратель). Процесс перехода зарядов из области, где они являются неосновными в область, где они являются основными, называется экстракцией. Процесс такого перехода характеризуется коэффициентом размножения, который показывает во сколько раз больше дырок вышло из КП больше числа дырок вошедших в КП.

В обычных транзисторах М=1, в специальных лавинных транзисторах М>>1.

4. Полный коэффициент передачи тока определяется:

Видно, что схема не имеет усиления по току, но схема может иметь усиление по напряжению, так как

- коэффициент усиления по напряжению

5. Схема с общей базой, так как база является общим выходом между входом и выходом.

2. Схема с общим эмиттером.

Схема имеет усиление по току. Также имеет усиление по напряжение, поэтому эта схема находит широкое применение.

2. Схема с общим коллектором.

Для работы транзистора надо создать теже самые условия. Схема имеет усиление по току, но не имеет усиления по напряжению.

5.3’. Статические характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером.

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник.

1. Входные характеристики:

при U_вых=const

при U_бэ=const

Это характеристика ЭП, включенного для прямого напряжения, поэтому вид характеристики повторяет прямую ветвь p-n-перехода.

При U_кэ = 0 характеристика идет круче.

При U_кэ ≠ 0 характеристика идет не из 0, за счет наличия тепловых токов в КП.

2. Выходные характеристики:

при I_вх=const

при I_б=const

I - режим или область отсечки токов, транзистор закрыт.

II - режим насыщения.

На КП создается прямое напряжение, и ток в базу попадает и из эмиттера и из коллектора. База насыщается зарядами, и ток перестает расти.

III - активный (усилительный) режим.

IV - область электрического пробоя (лавинного).

2. Тепловой неуправляемый ток (через КП).

а) Схема с общей базой.

б) Схема с общим эмиттером.

I_ко – тепловой неуправляемый ток.

Тепловой ток усиливается в β раз.

Замечание к входной характеристике для схемы с общим эмиттером.

В точке В =>

В точке А=> ,

2. Статические характеристики для схемы с общей базой.

а) Выходные характеристики.

при U_вых=const

при U_кб=const

Характеристика соответствует прямой ветви p-n-перехода.

При U_кб=0 КП не работает.

П ри U_кб≠0, чем больше это напряжение, тем больше начинает работать КП, поэтому характеристики идут круче.

I – режим отсечки токов, так как оба p-n-перехода оказываются при обратном напряжении.

II – режим насыщения, так как оба p-n-перехода оказываются при прямом напряжении.

III – активный режим.

б) Выходные характеристики.

при I_вх=const

при I_э=const

Эти характеристики отражают работу транзистора при U_кэ – обратное, поэтому их вид соответствует обратной ветви p-n-перехода.

При I_э>0 в базу инжектируются дырки и ток через КП возрастает, но вид характеристики сохраняется.

П ри U_кб=0 и I_э>0 ток I_к через транзистор – есть, так как на КП есть собственная контактная разность потенциалов, за счет которой дырки переходят в коллектор. Чтобы ток свести к нулю надо U_кб сделать прямым. Дырки из коллектора будут переходить в базу.

I – режим отсечки

II – режим насыщения

III – активная область

IV – лавинный пробой

2. Работа транзистора с общим эмиттером с активным сопротивлением нагрузки.

Р ассмотрим квазистатический режим, когда токи и напряжения меняются медленно, не учитываются свойства.

Нагрузочная характеристика и рабочая точка (режим по постоянному току).

- уравнение нагрузочной

характеристики

График можно построить по двум точкам.

,

,

Точка пересечения нагрузочной прямой с заданной статической характеристикой (для заданного тока базы)

– это графическое решение системы уравнений.

Входная нагрузочная характеристика и рабочая точка.

Э той характеристикой можно считать U_кэ≠0,

так как для широкого интервала значений

U_кэ эта характеристика сливается в дугу.

2. Временные диаграммы усиления сигналов.

Зададим режим по постоянному току на входном напряжении с помощью I_бэ или I_б0.

Из-за того, что переменные составляющие токов и напряжений искажены, поэтому определяем амплитуды их как среднее арифметическое между максимальным и минимальным значениями.

k_i~ - коэффициент усиления по току

k_u~ - коэффициент усиления по напряжению

k_p~ - коэффициент усиления по мощности

Видно, что k_i и k_u >> 1.

U_кэ в противофазе с входным сигналом (U_бэ, I_б) и I_к.

Другие параметры схемы:

Входное сопротивление

Мощность, выделяемая сопротивлением нагрузки

Мощность рассеивания на коллекторе

2. Характеристические (дифференциальные, мало сигнальные) параметры транзисторов.

При подаче на вход транзистора очень малых сигналов переменного тока, его можно рассматривать как линейный (неискажающий форму сигнала) активный (усиливающий) четырехполюсник.

Существуют следующие системы параметров:

Y - В виде проводимостей

Z - Параметры сопротивлений

H - Комбинированная система параметров, состоит из y и z параметров

Для сигналов сравнительно низких частот будем считать, что H – параметры чисто активные величины.

H≈h

– входное сопротивление (короткое замыкание по переменному току на выходе)

– коэффициент обратной связи (холостой ход на входе)

– коэффициент передачи по току (короткое замыкание по переменному току на выходе)

– выходная проводимость (холостой ход на входе)

Для этих параметров можно составить эквивалентную схему.

h₁₁ – входное сопротивление

отражает влияние выходного напряжения на вход транзистора, определяется h₁₂.

Генератор тока на выходе отражает усиленный выходной ток, который характеризуется h₂₁.

h₂₂ – выходная проводимость

2. Определение h-параметров по статическим хара-кам (для схемы с общим эмиттером).

а) по входным характеристикам:

б) по выходным характеристикам:

2. Пересчет h-параметров для схемы с общим эмиттером к h-параметрам для схемы с общей базой. Их типовые значения.

Типовые значения h-параметров - для схемы с общим эмиттером:

- для схемы с общей базой:

2. Определение рабочих параметров через h-параметры, когда транзистор нагружен активным сопротивлением.

Для слабых сигналов можно определить следующее:

а) коэффициент усиления по току

………………………………. коэфф. усиления по току

к оэфф. усиления по напряжению без учета сопротивления источника сигнала

………………………………………………..коэфф. усиления по мощности

2. Физическая эквивалентная схема БПТ и их частотные свойства.

Физическая эквивалентная схема отражает физические процессы, протекающие в транзисторе при прохождении в нём переменных токов.

а) Простейшая Т-образная физическая эквивалентная схема (для схемы с ОБ).

- объёмное сопротивление базы (его надо учитывать, т.к. база делается с небольшой концентрацией примесей.

- сопротивление эмиттерного перехода.

- сопротивление коллекторного перехода.

Генератор тока отражает передаточные характеристики тока.

Элементы, влияющие на частотные свойства транзистора (реактивности) –

- (для ЭП) и (для КП).

Достоинство схемы в том, что она проста.

б) Поведение транзистора с сигналами высоких частот и эквивалентная схема.

Рассмотрим зависимость коэффициентов усиления по току от частоты усиливаемых сигналов.

100

- предельная частота транзистора, на которой

уменьшается в раз.

- граничная частота, на которой = 1.

Аналогично - предельная частота для схемы с ОБ.

5.13. Объяснение более высокочастотных свойств для схемы с ОБ.

С общей базой

С общим эмиттером

- емкость между входом и выходом. Желательно, чтобы она была меньше, поскольку сигнал со входа на выход может сразу попадать на неё и не управлять токами в транзисторе. В схеме с ОБ

, .

Для описания частотных свойств транзистора была предложения физическая эквивалентная схема Джиаколетто.

- объёмное сопротивление базы (так как база делается с небольшой примесью).

Точка Б^/, от которой учитывается чисто явление в эмиттерном и коллекторном переходе.

- сопротивление ЭП (чистое).

- эквивалентное сопротивление между коллектором и эмиттером.

- ёмкость КП (барьерная ёмкость).

- ёмкость, определяющая изменение ширины базы.

- ёмкость ЭП.

- крутизна транзистора по ЭП (мА/В), характеризует как сильно влияет входное напряжение на выходной ток (см. далее полевой транзистор).

С помощью этой эквивалентной схемы можно определить входное и выходное реактивное (комплексное) сопротивление и коэффициент усиления на заданной частоте.

5.14. Расчёт характеристик этой схемы.

- постоянная времени цепи обратной связи.

- коэффициент усиления по току на частоте f.

Решение:

1. ,

2.

3.

4. =

5. =

6. [1/В] (мА)

7. , где - граничная частота.

Определим с помощью этой схемы входные и выходные сопротивления.

Считаем, что на выходе кз по переменному току (это правда, так как там включается следующий транзистор, входное сопротивление которого низкое).

Аналогично можем построить эквивалентную схему на выходе. Эту схему можно рассчитать, считая на входе эквивалентной схемы режим хх, так как считаем, что сигнал подаётся с такого же транзистора, то есть по схеме с ОЭ, сопротивление которого высокое.

5.15. Работа транзистора в ключевом (импульсном) режиме.

Схема НЕ:

Если на вход не подавать напряжение и нет тока , то на выходе практически не будет, то есть транзистор закрыт и поэтому на выходе .

Если на вход подать большое напряжение (создать большой ), чтобы в транзисторе протекал большой ток , то есть транзистор сильно открылся (шунтирует (закорачивает)) и . То есть транзистор работает аналогично ключу (переключаемому ключу).

- сопротивление, ограничивающее большой ток на входе, чтобы предотвратить выход из строя ЭП транзистора.

5.16. Расчёт электронного ключа.

1 .Строится нагрузочная характеристика.

2.Если на входе 0 (нет напряжения и =0), транзистор находится в режиме тсечки.

При этом .

- тепловой ток.

3.Когда на вход транзистора подаётся большое напряжение, создается большой ток .

Транзистор открывается и переходит в режим насыщения – точка Б. При этом ток , а

Замечания.

Чтобы транзистор с запасом открывался до режима насыщения, обычно базовый ток должен быть .