Контрольные вопросы

1. На чём основан принцип действия фоторезистора?

2. Назовите основные параметры фоторезистора.

3. Чем определяется величина темнового тока у фоторезистора?

4. Для чего служит фотоэлемент и в каких областях науки и техники он применяется?

5. Основные параметры фотодиода в фотодиодном и вентильном режимах.

6. Устройство и принцип действия фототранзистора.

7. Характеристики фототранзистора, включённого по схеме с общим эмиттером и плавающей базой.

8. Преимущества фототранзисторов по сравнению с фотодиодами?

9. Какие полупроводниковые приборы относятся к излучательным?

10. Объясните принцип работы светодиода?

11. Что такое оптрон?

12. Назовите простейшие разновидности оптронов. Характеристики и параметры простейших оптронов?

ЛЕКЦИЯ 4

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

(2 часа)

План

1. Два типа биполярных транзисторов. Принцип работы биполярного транзистора.

2. Схемы включения транзистора. Достоинства и недостатки.

3. Режимы работы, вольтамперные характеристики и основные соотношения для токов в транзисторе.

Биполярные транзисторы

Транзисторы – это полупроводниковые приборы с тремя и более выходами, предназначенные для усиления и генерации электрических сигналов.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя близко расположенными, а потому взаимодействующими p–n–переходами и тремя выводами.

Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противоположным типом проводимости, нежели база.

В зависимости от чередования этих областей, различают два типа биполярных транзисторов: n–p–n и p–n–p.

Принцип работы биполярного транзистора

Физическая модель биполярного транзистора и схема его включения в активном режиме приведена на рисунке 4.1.

Эмиттер (Э) – выполнен из сильно легированного полупроводника и является инжектором носителей заряда для области базы.

База (Б) слабо легирована примесями. Ширина базы много меньше диффузионной длины W << ln.

Коллектор (К) сильно легирован примесями и предназначен для поглощения носителей зарядов, инжектируемых эмиттером.

При работе в активном режиме полярности источников напряжения Еэ, Ек выбираются так, что ЭП смещен в прямом, а КП – в обратном направлении. Поскольку база имеет малую концентрацию примесей по сравнению с соседними областями, то ЭП и КП располагаются в ее области.

Рис. 4.1.

Так как эмиттерный переход открыт, то через него будет протекать ток эмиттера, вызванный переходом электронов из эмиттера в базу и переходом дырок из базы в эмиттер. Следовательно, ток эмиттера будет иметь две составляющие – электронную и дырочную. При смещении ЭП в прямом направлении происходит ввод основных носителей заряда в базу, где они становятся неосновными (инжекция). В базе введенные заряды первоначально группируются вблизи ЭП. А затем за счет диффузии или дрейфа начинают двигаться к КП. Достигнув его, неосновные носители попадают в сильное электрическое поле и переносятся им в область коллектора, где снова становятся основными носителями заряда. Для компенсации зарядов, направляющихся в области коллектора, возникает коллекторный ток во внешней цепи. Часть зарядов области базы не достигает КП, рекомбинируя с основными носителями области базы, это создает ток базы.

Схемы включения биполярного транзистора

К трём выводам транзистора можно подключить два независимых источника напряжения. В зависимости от того, какой вывод является для них общим, различают три схемы включения транзистора:

1) Схема включения с базой (ОБ).

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

– коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.

(для схемы с общей базой Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1]),

– входное сопротивление Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ. Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Недостатки схемы с общей базой: схема не усиливает ток α<1, малое входное сопротивление, два разных источника напряжения для питания.

Достоинства – хорошие температурные и частотные свойства.

2) Схема включения с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема, изображенная на рисунке 4.2, является наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности.

Рис. 4.2.

Iвх = Iб, Iвых = Iк; Uвх = Uбэ, Uвых = Uкэ

β = Iвых / Iвх = Iк / Iб (10 – 100)

Rвх.э = Uвх / Iвх = Uбэ / Iб [Ом] (100 – 1000)

Коэффициент усиления по току такого каскада (β) представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то β составляет десятки единиц.

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база–эмиттер Uбэ, а выходным – переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн или, что – то же самое, между коллектором и эмиттером – Uкэ:

Напряжение база–эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Ек достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч.

Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало (от 100 до 1000 Ом). Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинства схемы с общим эмиттером: большой коэффициент усиления по току; бoльшее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление; для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки – худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства.

3) Схема включения с общим коллектором (ОК)

Iвх = Iб, Iвых = Iэ; Uвх = Uбк, Uвых = Uкэ

Iвых / Iвх = Iэ / Iб = (Iк + Iб) / Iб = β + 1; Rвх = Uбк / Iб

В схеме с ОК коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, то есть очень сильна отрицательная обратная связь. Входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем, всегда меньше её.

Выходное напряжение в этой схеме совпадает по фазе со входным и почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данную схему с ОК часто называют эмиттерным повторителем и изображают схему так, как показано на рисунке 4.3.

Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоОм, что является важным достоинством схемы. Выходное сопротивление схемы с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим – сотни Ом. Эти достоинства схемы с ОК побуждают использовать её для согласования различных устройств по входному сопротивлению. Наиболее часто эмиттерный повторитель включают в качестве выходного каскада, чтобы обеспечить требуемую нагрузочную способность всей схемы.

Рис. 4.3

Недостатком схемы является то, что она не усиливает напряжение – коэффициент усиления чуть меньше 1.

Режимы работы транзистора

В зависимости от величины и полярности напряжений между выводами транзистора различают четыре режима работы транзистора:

1) Активный (или нормальный, или усилительный).

Iвых = kIвх, k – коэффициент передачи по току. КП – в обратном направлении, ЭП – в прямом направлении. Такой режим используется в усилителях и генераторах электрических сигналов.

2) Режим отсечки коллекторного тока.

ЭП и КП смещены в обратном направлении. В коллекторной цепи Iк=Iк0 (где Iк0 – тепловой ток коллекторного, обратно смещенного перехода). Этот режим соответствует разомкнутому состоянию электрического ключа и применяется в ключевых схемах на биполярных транзисторах.

3) Режим насыщения. КП и ЭП смещены в прямом направлении, Rкэ – мало. Режим соответствует замкнутому состоянию механического ключа и используется в ключевых схемах на транзисторах.

4) Инверсный режим. ЭП смещен в обратном, а КП – в прямом направлении. Здесь входной ток – ток коллектора, а выходной – Iэ. Такой режим используется крайне редко, только в цифровых и логических схемах.

Вольтамперные характеристики (ВАХ) биполярного транзистора

Представляют собой зависимости токов от напряжений на выводах биполярного транзистора, представленные в виде графиков.

Для биполярного транзистора обычно рассматривают:

Входную ВАХ – Iвх=f(Uвх), выходную ВАХ – Iвых=f(Uвых).

ВАХ транзистора с ОЭ

1) Входная ВАХ

При Uкэ = 0, входная ВАХ ОЭ, совпадает с ВАХ p-n-перехода.

При возрастании Uкэ, входная ВАХ смещается вправо, это связано с падением напряжения на эмиттерном переходе.

2) Выходная ВАХ

Выходная ВАХ целиком расположена в первом квадранте, так как Uкэ=Uкб+Uбэ. Наклон на пологой части графиков значительно сильнее, чем для схем с ОБ.

Усилительные свойства транзистора, включённого с ОЭ, характеризуются параметром – коэффициент передачи тока базы. Он выражается через – коэффициент передачи тока в схеме с ОБ

Основные соотношения для токов в транзисторе

1.

2. , где – коэффициент передачи тока эмиттера

( )(0,9 – 0,999), – неосновные носители заряда, инжектируемые эмиттером (управляемая составляющая), Iк0 – собственный тепловой ток КП (неупрвляемая составляющая, зависит от окружающей среды).

3. Iб= Iэ - Iк = (1- α)Iэ - Iк0, если Iэ=0, то Iб_б= - Iк0_.