10. Призначення та будова біполярних транзисторів.

Широко розповсюджені транзистори з двома р-п переходами, що мають назву біполярних. Термін “біполярний” підкреслює, що процеси в цих транзисторах пов’язані з взаємодією носіїв заряду двох типів: електронів і дірок. Для виготовлення транзисторів використовують германій і частіте кремній. Два р-п переходи створюють за допомогою тришарової структури з чередуванням тарів, що мають електронну та діркову електропровідності.

У відповідності до чередування шарів з різними типами електропровідності біполярні транзистори поділяються на два класи: п-р-п і р-п-р типу, як показано на рис. 2.11.

Центральний шар біполярних транзисторів має назву “база”. Зовнішній лівий, що є джерелом носіїв заряду (електронів чи дірок) і, головним чином, створює струм приладу, називається “емітером”. Правий зовнішній шар, що приймає заряди від емітера, називається “колектором”. На перехід емітер-база напруга подається у прямому напрямку, тому, навіть при незначній напрузі, через перехід тече великий струм. На перехід колек-тор-база напруга подається у зворотному напрямку. Зазвичай її значення на декілька порядків перевищує значення напруги на переході емітер-база.

Підсилюючі властивості біполярного транзистора забезпечуються тим, що р-п переходи в ньому не незалежні, а взаємодіють один з одним, що, у свою чергу, забезпечується технологічними особливостями виконання тришарової структури. А саме:

1) емітер виконано з великою кількістю домішки - він має велику кількість вільних носіїв заряду;

2) база виконана тонкою і має малу кількість основних носіїв заряду;

3) колектор - масивний і має кількість носіїв, меншу, ніж емітер.

11) Біполярний транзистор — напівпровідниковий елемент електронних схем, із трьома електродами, один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем частинок, що мають як позитивний, так і негативний електричний заряд.

Виводи біполярного транзистора називаються емітером, базою і колектором. В залежності від типу носіїв заряду, які використовуються в транзисторі, біполярні транзистори поділяються на транзистори NPN та PNP типу. В транзисторі NPN типу емітер і колектор легуються донорами, а база — акцепторами. В транзисторі PNP типу — навпаки.

Транзистори класифікуються за вихідним матеріалом, розсіюваною потужністю, діапазоном робочих частот, принципом дії. В залежності від вихідного матеріалу їх поділяють на дві групи: германієві та кремнієві. За діапазоном робочих частот їх ділять на транзистори низьких, середніх та високих частот, за потужністю — на класи транзисторів малої, середньої та великої потужності. Транзистори малої потужності ділять на шість груп: підсилювачі низьких і високих частот, малошумні підсилювачі, перемикачі насичені, ненасичені та малого струму; транзистори великої потужності — на три групи: підсилювачі, генератори, перемикачі. За технологічними ознаками розрізняють сплавні, сплавно-дифузійні, дифузійно-сплавні, конверсійні, епітаксіальні, планарні, епітаксіально-планарні транзистори.

12) Існує три основні схеми включення транзисторів. При цьому один з електродів транзистора є загальною точкою входу і виходу каскаду. Треба пам’ятати, що під входом (виходом) розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) змінна напруга. Основні схеми включення називаються схемами зі спільнимемітером (СЕ), спільною базою (СБ) і спільним колектором (CК).

Схема підключення

Будь-яка схема підключення транзистора характеризується двома основними показниками:

• коофіцієнт підсилення по струму n=I_вих/I_вх

• вхідний опір R_вх=U_вх/I_вх

Схема зі спільною базою

Підсилювальний каскад за схемою зі спільною базою на основі npn-транзистора

• Коtфsцієнт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_к/I_е=α [α<1]

• Вхідний опір R_вх=U_вх/I_вх=U_бе/I_е.

Вхідний опір для схеми зі спільною базой малий і не перевищує 100 Ом для малопотужних транзисторів, оскільки вхідний ланцюг транзистора при цьому є відкритим емітерним переходом транзистора.

Переваги:

• Гарні температурні та частотні властивості

• Висока допустима напруга

Недоліки

• Мале підсилення по струму, оскільки α < 1

• Малий вхідний опір

• Два різні джерела напруги для живлення

13) Існує три основні схеми включення транзисторів. При цьому один з електродів транзистора є загальною точкою входу і виходу каскаду. Треба пам’ятати, що під входом (виходом) розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) змінна напруга. Основні схеми включення називаються схемами зі спільним емітером (СЕ), спільною базою (СБ) і спільним колектором (CК).

Схема Підключення:

Будь-яка схема підключення транзистора характеризується двома основними показниками:

• коофіцієнт підсилення по струму n=I_вих/I_вх

• вхідний опір R_вх=U_вх/I_вх

Схема зі спільним емітером

Підсилювальний каскад за схемою підключення транзистора зі спільним емітером на основі npn-транзистора (Схема з заземленим емітером)

Вихідні дані

• Коефіцієнт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_к/I_б=I_к/(I_е-I_к) = α/(1-α) = β [β>>1]

• Вхідий опір: R_вх=U_вх/I_вх=U_бе/I_б

Переваги:

• Великий коефіцієнт підсилення по струму

• Великий коефіцієнт підсилення по напрузі

• Найбільше підсилення потужності

• Можна обійтись одним джерелом живлення

• Вихідна напруга інвертується відносно вхідної

Недоліки

• Гірші температурні та частотні властивості в порівнянні зі схемою зі спільною базою

14) Основні параметри

Для аналізу і розрахунку ланцюгів з біполярними транзисторами використовують так звані h - параметри транзистора, включеного за схемою ОЕ.  Електричне стан транзистора, включеного за схемою ОЕ, характеризується величинами IБ, IБЕ, ІК, UКЕ.  У систему h - параметрів входять наступні величини:  1. Вхідний опір  h11 = DU1/DI1 при U2 = const. являє собою опір транзистора змінному вхідному струмі при якому замикання на виході, тобто при відсутності вихідного змінної напруги.  2. Коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі:  h12 = DU1/DU2 при I1 = const. показує, яка частка вхідної змінної напруги передається на вхід транзистора внаслідок зворотного зв'язку в ньому.  3. Коефіцієнт зусилля по струму (коефіцієнт передачі струму):  h21 = DI2/DI1 при U2 = const. показує посилення змінного струму транзистором в режимі роботи без навантаження.  4. Вихідна провідність:  h22 = DI2/DU2 при I1 = const.   являє собою провідність для змінного струму між вихідними затискачами транзистора.  Вихідний опір Rвих = 1/h22.  Для схеми із загальним емітером справедливі наступні рівняння: 

 (4.8)  де  Для запобігання перегріву колекторного переходу необхідно, щоб потужність, що виділяється в ньому при проходженні колекторного струму, не перевищувала деякої максимальної величини:   

15) Транзистор є одним з найбільш поширених елементів безконтактних перемикаючих пристроїв. Режим роботи транзистора в перемикаючому пристрої зазвичай називають ключовим. Цей режим характерний тим, що транзистор в процесі роботи періодично переходить з відкритого стану (режиму насичення) в замкнуте (режим відсічки) і навпаки, що відповідає двом стійким станам перемикаючого пристрою.

На мал. 7.19 зображена проста схема ключа на транзисторі рпр, включеному по схемі із загальним емітером.

Замикання транзистора (режим відсічки) спостерігається у тому випадку, коли обидва р-п переходи (емітерний і колекторний) закриті. Для цього достатньо, щоб зворотна напруга на цих переходах була близька до нуля (близько 0,05...0,1 В). З схеми мал. 7.19 видно, що для замикання транзистора типу рпр потрібно подати на його вхід таку напругу, щоб потенціал бази був вищий за потенціал емітера, тобто щоб напруга між базою і емітером задовольняла нерівність U_БЕ≥0 (для транзисторів типу npn ознака цієї нерівності буде зворотною).

Напруга на колекторі замкнутого транзистора рівна

де I_кБо- зворотний струм колектора.

У замкнутому стані транзистор може знаходитися необмежено довго. Вивести його з цього стійкого стану можна тільки за рахунок зовнішніх дій, наприклад шляхом подачі на вхід транзистора типу рпр запускаючого імпульсу негативної полярності.