Лекции / ЛЕКЦИЯ12_09
.pdf
12 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ, ВИДЫ ПО ПРИМЕНЕНИЮ. УНИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ, ВИДЫ ПО ПРИМЕНЕНИЮ. СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ
Биполярный транзистор (БПТ) представляет собой трёхслойную управ-
ляемую структуру с чередующимся типом электропроводности слоеви со-
держит два p-n-перехода, рисунок 12.1.
Рисунок 12.1 – Структура и УГО БПТ
Эмиттерный переход инжектирует носители заряда в базу, а коллек-
торный переход собирает носители заряда, прошедшие через базовый слой. В
транзисторе p-n-p-типа инжектируются дырки, а в транзистореn-p-n-типа –
электроны.
12.1 Принцип действия биполярного транзистора
Концентрация основных носителей заряда в базе много меньше концен-
трации носителей заряда в эмиттере: для транзистора p-n-p-типа pp0 >> nn0.
На границах раздела слоев образуются объемные заряды, создается внутрен-
нее электрическое поле, а между слоями действует внутренняя разность по-
тенциалов.
Внешние напряжения подключают так, чтобы обеспечить смещение эм-
митерного перехода в прямом направлении, а коллекторного перехода – в об-
ратном направлении, рисунок 12.2.
Рисунок 12.2 – Принцип действия БПТ p-n-p-типа
Так как UЭ смещает переход э/б в прямом направлении, дырки из эмит-
тера в большом количестве переходят(инжектируются) в базу. Аналогично –
электроны переходят из базы в эмиттер. Появляется ток эмиттера из двух со-
ставляющих IЭР и Iэn: Iэ = Iэn + IЭР.
Выполняется соотношение Iэn << Iэp. Составляющая дырочного тока
примерно равна 0,97–0,99 от Iэ.
Часть дырок в базе уходит к Uэ, образуя ток Iобр эб.
Большинство дырок из базы захватывается электрическим полем кол-
лектора и образует ток Iкр, который меньше по числу дырок, пришедших в базу
из эмиттера, так как в базе часть дырок рекомбинирует.
Из-за рекомбинации в базе появляется недостаток электронов, они затя-
гиваются из Uэ, образуя собой ток базы Iбn. То есть Iэр = Iкр + Iбр.
Коллекторный ток Iк (за счет Iкр) связан с током Iэ коэффициентом пере-
дачи a:
a = Iкр/Iэ Þ 1.
Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении,
приводит к появлению токаIко – это дрейф не основных носителей заряда
(здесь дырок из базы и электронов из коллектора).
Таким образом, у транзистора p-n-p : |
|
Iэ = Iэn + Iэр; Iк = Iкр + Iко; Iб = Iэn+ Iбр+ Iко. |
(1) |
Управляющее свойство транзистора – это зависимость составляющей
выходного коллекторного токаIкр от изменения составляющей входного эмиттероного тока Iэр.
Принцип действия БПТ – СОЗДАНИЕ ТРАНЗИТНОГО (проходящего)
ТОКА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ИЗ ЭМИТТЕРА В КОЛЛЕКТОР ЧЕРЕ
БАЗУ, и УПРАВЛЕНИИ ВЫХОДНЫМ ТОКОМ ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ
ВХОДНОГО ТОКА.
То есть БПТ управляется током. |
|
|
|
Можно записать: |
|
|
|
Iэ = Iк + Iб; |
Iк = aIэ + Iко; |
Iб = (1 – a)Iэ – Iко . |
(2) |
Ток Iко влияет на входной (управляющий) ток БПТ, вследствие чего входной
ток зависит от температуры.
При работе с БПТ используют их входные и выходные ВАХ, обычно пред-
ставляя их графически.
12.2 Схемы включения БПТ и их свойства
Вид входной и выходной ВАХ зависит отСХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ тран-
зистора. Есть три схемы включения:
–с общей базой (ОБ);
–с общим эмиттером (ОЭ);
–с общим коллектором (ОК).
Название определяется по выводу, являющимся общим для входной и
выходной цепей хотя бы по переменному току. ВАХ в схемах ОЭ и ОК примерно
одинаковы и обычно рассматривают характеристики схем ОЭ и ОБ.
Схема ОБ (рисунок 12.3).
Рисунок 12.3 – Схема включения БПТ с ОБ
Входной сигнал в данной схеме не инвертируется.
Выходные ВАХ – это зависимость Ik = f(Uкб), рисунок 12.4.
Рисунок 12.4 – Выходные ВАХ схемы с ОБ
В ЗОНЕ 1: начальная область Ik лежит левее оси ординат, так как при
Uкб = 0 в качестве этого напряжения выступает внутренняя разность потен-
циалов j0 перехода коллектор-база.
В ЗОНЕ 2: появляется слабый подъем характеристик при увеличении Uкб
так как при этомуменьшается толщина базы(модуляция толщины базы),
уменьшается число рекомбинаций в базе, что ведет к увеличению a и Ik.
Также с увеличением Uкб, увеличивается Ikо. Этот факт характеризуется
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ КОЛЛЕКТОРНОГО ПЕРЕХОДА (3):
rКБ = |
dU КБ |
|
|
|
@ 0 ,5 - 1 МОм . |
(3) |
dI K |
|
|
||||
|
|
|
IЭ =const |
|
||
|
|
|
||||
При IЭ = 0, то IК |
– это IКО. |
|
||||
Во 2-й области, из схемы следует:
I К |
r |
|
= aIЭ + U КБ / rК ( б ) + I КО . |
(4) |
|
k ( Б )=const |
|
|
|
Наличие |
составляющей IKО – главная причина температурной |
зависимо- |
||
сти выходных характеристик транзистора: кривые смещаются |
вверх(при |
|||
увеличении температуры), и вниз (при уменьшении температуры).
При большом изменении IЭ, от его величины зависит значениеa ® 1, так как уменьшается
число рекомбинаций в базе с увеличением IЭ, а затем начинает уменьшаться инжекция носителей
из эмиттера в базу.
В ЗОНЕ 3, с увеличением Uкб может произойти тепловой пробой перехо-
да коллектор-база. Максимально допустимое напряжение Uкб max – справочный
параметр.
Входные характеристики схемы ОБ: это зависимость iБ = f(uэб). Они
близки к виду прямой ветви ВАХ диода, рисунок 12.5.
Рисунок 12.5 – Входные характеристики схемы с ОБ
Схема ОЭ, рисунок 12.6.
Рисунок 12.6 – Схема включения с ОЭ
В этой схеме вывод эмиттер является общим для входной и выходной цепей транзистора. Напряжение на переходе база–эмиттер определятся разностью
напряжений UКЭ – UБК.
Входной сигнал в данной схеме инвертируется.
Выходные ВАХ определяются зависимостью (5):
IK = f (U КЭ ) |
|
I Б =const |
(5) |
|
|||
|
|
Также, как и для схемы с ОБ, выделяется три области, рисунок 12.7. Но в отличие от выходной ВАХ схемы ОБ, здесь графики выходят из начала систе-
мы координат.
Рисунок 12.7 – Выходные ВАХ каскада с ОЭ
В ЗОНЕ 1 переход коллектор-база открыт и здесь наблюдаются большие нелинейные искажения усиливаемого сигнала. Эта зона ограничивается при-
мерным значением напряжения UКЭ = 0,5–1,5 В.
При UКЭ = 0, переход коллектор-база открыт и из коллектора и эмитте-
ра инжектируются в базу дырки, где они уравновешивают друг друга и IK » 0.
С увеличением UКЭ уменьшается прямое напряжение на переходе коллек-
тор-база (которое создавало UБЭ), и инжекция дырок из коллектора в базу
уменьшается, а величина IK увеличивается.
ВЗОНЕ 2: – на границе зон 1 и 2 переход коллектор-база уже полностью смещен в обратном направлении. Это UКЭ » 0,5–1,5 В.
Вобласти 2 справедливо выражение (6):
I K |
= bI Б + |
U КЭ |
|
+ I КО ( 1 + b ), |
(6) |
rК ( Б ) /( 1 |
|
||||
|
|
+ b ) |
|
||
где b = IK/IБ = a/(1 – a) – коэффициент передачи тока в схеме ОЭ.
Если a лежит примерно в пределах (0,9–0,99), то b » [9–(100–1000)]. То есть,
в схеме с ОЭ БПТ дает усиление по току.
Или: |
|
|
|
IK |
= bIБ + U КЭ / rK ( Э ) + IKO( Э ) , |
|
(7) |
где |
; |
. |
(8) |
Также в этой области есть небольшой наклон ВАХ, но больше, чем в схеме с ОБ, так как малые из-
менения a при изменении UКЭ дают значительные изменения b = a/(1- a) (это учитывается слагаемым [UКЭ/
rК(Э)] в (7 ).
При IБ стремящемся к нулю, через базовый вывод текут два тока:
а) часть тока эмиттера: (1-a )IЭ;
б) обратный ток перехода база-коллектор: ток IБ = 0 при (1- a)IЭ = IKО.
При этом (то есть при IБ = 0) ток эммиттера равен: IЭ = IKО/(1 - a) = (1 + b)IKО, а ток коллектора равен IK = aIЭ + IKО = aIKО/(1 - a) + IKО = (1+ b)IKО. При IБ = 0, через БПТ в схеме с ОЭ течет ток, который называется на-
чальным или сквозным (IK0(Э)):
IKО(Э) = (1 + b)IKО . |
(9) |
Температурное влияние в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ, так как IKО умножается на (1 + b) и b
изменяется больше от температуры при малых температурных измененияхa (так как b = a/(1- a) . Также в этой схеме больше зависимость b от IЭ (или IK), чем в схеме с ОБ.
ОБЛАСТЬ 3 – в ней возможен пробой коллекторного перехода: UКБ max ДОП
в 1,5–2 раза меньше, чем в схеме с ОБ.
Входные ВАХ определяются зависимостью:
IБ = f (UБЭ ) |
|
U КЭ =const |
(10) |
|
|||
|
|
и имеют вид, представленный на рисунке 12.8.
Рисунок 12.8 – Входные характеристики схемы с ОЭ