Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Элементы теории.

Читайте также:
  1. A. Элементы резания при точении
  2. II. Материальные элементы (МЭ)
  3. III.4.3) Виды и элементы вины.
  4. V1: 4.Элементы поражения слизистой оболочки полости рта (СОПР) и красной каймы губ
  5. А) Основные элементы измерительных приборов
  6. Абстрактные, корневые, листовые и полиморфные элементы
  7. АВТОНОМИЯ ВОЛИ СТОРОН) И ДИСПОЗИТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
  8. Активные элементы схемы замещения
  9. Антенны и элементы СВЧ АВУ, их конструкция
  10. Асинхронный двигатель. Достоинства, недостатки и основные конструкционные элементы.

Биполярные транзисторы.

Транзистор - это полупроводниковый прибор, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три или более выводов.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом электропроводности слоев и содержит два р-n перехода (рис. 1, а). В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов р-n-р и n-p-n). Их условное обозначение на электронных схемах показано на рис.1,б,в. В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний.

Трехслойная транзисторная структура создается по силовой или диффузионной технологии (рис. 1,г). Пластина полупроводника n-типа является основанием, базой. Два наружных р-слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной примеси. Один из слоев называется эмиттером, а другой коллектором. Так же называются и внешние выводы от этих слоев. Соответственно называются и переходы эмиттерный и коллекторный.

Функция эмиттерного перехода - инжектирование носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода - сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой (экстракция). Площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода для того, чтобы носители заряда, инжектируемые эмиттером и проходящие через базу, полнее собирались коллектором,

В транзисторах типа n-p-n функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящих через базу: в транзисторах типа р-n-р - это дырки, в транзисторах типа n-р-n - электроны.

Принцип действия транзистора и его основные параметры

Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на примере структуры р-n-р (рис. 1.а).

Соотношение концентраций основных носителей заряда в эмиттерном и коллекторном слоях транзистора несущественно. Концентрация основных носителей заряда в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей заряда в эмиттере.

При отсутствии внешних напряжений на границах раздела трех слоев образуются объемные заряды, а в эмиттерном и коллекторном переходах создается внутреннее электрическое поле.

Внешние напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного перехода - в обратном направлении. .Это достигается с помощью двух источников напряжения Uэб и Uкб. Напряжение подключается положительным полюсом к эмиттеру, отрицательным к базе, напряжение Uкб - отрицательным полюсом к коллектору, положительным к базе.



Поскольку в эмиттерном переходе внешнее напряжение действует в прямом направлении, потенциальный барьер для дырок основных носителей зарядов эмитторного слоя - уменьшается и дырки из эмиттера под действием диффузии будут в большем количестве переходить (инжектировать) в область базы.

Рис.1

 

Аналогично увеличится диффузионный поток электронов - основных носителей заряда области базы - в эмиттер. Ток эмиттерного перехода и цепи эмиттера можно записать в виде

Iэ= Iэр + Iэп

Дырочная составляющая тока Iэр, создается потоком дырок, переходящих из эмиттера в базу. Большинство дырок в последующем достигает коллектора и вызывает коллекторный ток транзистора. Электронная составляющая тока Iэп обусловлена движением электронов из базы в эмиттер. Она замыкается через источник Uэб и не создает тока в коллекторной цепи. Таким образом, функция эмиттерного перехода и процессы в эмиттерном переходе сводятся к инжекции основных носителей заряда эмиттера в базу.



С точки зрения качества эмиттерного перехода необходимо, чтобы электронная составляющая эмиттерного тока Iэп , была существенно меньше его дырочной составляющей Iэр. Это достигается значительным (на два - три порядка) превышением концентрации основных носителей заряда в эмиттере над концентрацией основных носителей заряда в базе.

Процессы в базовом слое определяются в основном поведением дырок, перешедших в базу через эмиттерный переход. Инжектируемые дырки, попадая в базовый слой, повышают концентрацию дырок в базе вблизи эмиттера по сравнению с равновесной концентрацией. Возникает градиент концентрации дырок в базе и развивается диффузионное движение дырок в базе в сторону коллектора, т.е. в направлении меньшей концентрации. Концентрация дырок в базе на границе с коллекторным переходом устанавливается близкой к нулю, так как дошедшие до коллекторного перехода под действием диффузии дырки (являющиеся для базы неосновными носителями) ускоряются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, и переносятся в коллектор. Таким образом, ток коллектора создается за счет увеличения дрейфовой составляющей тока коллекторного перехода, обусловленного инжекцией дырок из эмиттера в базу.

Ширина базового слоя очень мала, значительно меньше диффузионной длины. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для диффузии к коллекторному переходу.

В установившемся режиме объемный заряд дырок в базе скомпенсирован объемным зарядом электронов, т.е. база является электрически нейтральной. Электроны, компенсирующие объемный заряд дырок, поступают по цепи базы от источника Uэб.

Наличие дырок и электронов в базе приводит к тому, что в процессе диффузии некоторая часть дырок рекомбинирует с электронами. В результате количество дырок, дошедших до коллектора, будет меньше количества дырок, поступивших из эмиттера, и соответственно дырочная составляющая коллекторного тока Iкр будет меньше дырочкой составляющей эмиттерного тока Iэр.

Рекомбинация дырок с электронами создает недостаток электронов, требующихся для компенсации дырок, постоянно входящих в базу из эмиттера. Необходимые электроны поступают по цепи базы от источника, создавая базовый ток рекомбинации Iбр. Следовательно, разность между дырочными составляющими эмиттерного и коллекторного токов представляет собой ток базы, обусловленный рекомбинацией:

Iэр - Iкр = Iбр

Коллекторный р-n переход предназначен для перевода своим полем дырок, достигших его, в коллекторную область. В нем происходит экстракция дырок из базы в коллектор.

Дырочная составляющая коллекторного тока транзистора связана с током эмиттера соотношением

Iкр = a Iэ

где a- коэффициент передачи тока эмиттера,

Способы приближения к единице коэффициента a основаны на увеличении разности концентраций основных носителей заряда в слоях эмиттера и базы, увеличении времени жизни дырок в базе, уменьшении ширины базового слоя в создании ускоряющего поля в слое базы (a= 0,950..... 0,998).

Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению дополнительной неуправляемой составляющей тока коллектора, обусловленной протеканием обратного тока коллекторного перехода Iко. Как известно обратный ток. Iко, перехода мал, он создается дрейфом неосновных носителей заряда, в данном случае он определяется исходными равновесными концентрациями дырок в базе и электронов в коллекторе. Поскольку концентрации неосновных носителей заряда зависят от температуры, величина обратного тока также зависит от нее, поэтому этот ток часто называют тепловым, как и для диода. От величины тока эмиттера Iко не зависит.

Таким образом, ток коллектора Iк состоит из дырочной составляющей Iкр и теплового тока Iко.

Iк = Iкр + Iко

ток базы Iб равен алгебраической сумме электронной составляющей тока эмиттера Iэп, рекомбинационной составляющей Iбр теплового тока Iко:

Iб = Iэп + Iбр - Iко

Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока Iн под действием входного (эмиттерного) тока Iэ (или напряжения Uбэ), обусловливается изменением дырочной составляющей коллекторного тока Iкр за счет изменения дырочной составляющей эмиттерного тока Iэр. Следовательно, биполярный транзистор управляется током

Iк =a Iэ + Iко (1)

Основное соотношение для токов на выводах транзистора соответствует первому закону Кирхгофа:

Iэ = Iк + Iб

С учетом теплового тока Iко и коэффициента передачи тока эмиттера, a ток Iб можно выразить таким образом:

Iб = Iэ - Iк = (1-a) Iэ - Iко

откуда видно, что ток базы является незначительным по сравнению с током эмиттера.

 

СТАТИЧЕСКИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТРАНЗИСТОРА

При использовании транзистора в различных схемах практический интерес представляют зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВAX). Статические характеристики снимают при относительно медленных изменениях тока и напряжения (по постоянному току). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

ВЫХОДНЫЕ характеристики транзистора в схеме с ОБ отражают зависимости тока коллектора Iк от напряжения Uкб при фиксированном токе эмиттера Iэ (рис. 2,а):

Iк =F(Uкб)| Iэ=const

Для схемы с ОБ характерно расположение начальной области характеристик I левее оси ординат (рис. 2,б). Это обусловлено тем, что электрическое поле в коллекторном переходе транзистора определяется суммой внутренней контактной разности потенциалов jо и внешнего напряжения Uкб. При Uкб =0 и заданном токе эмиттера дырки переносятся в коллектор из базы под действием внутреннего поля коллекторного р-n-перехода и создают ток коллектора Iк. Чтобы уменьшить ток Iк , нужно создать встречный поток дырок из коллектора в базу, т.е. путем изменения полярности напряжения сместить коллекторный переход в прямом направлении и перевести его в режим инжекции носителей заряда (в режим эмиттера). При подаче некоторого напряжения положительной полярности Uкб (на II рис. 2,б откладывается влево от точки 0) потоки дырок через коллекторный переход будут взаимно скомпенсированы и ток Iк = 0. Естественно, что с увеличением тока. Iэ для обеспечения Iк = 0 необходимо подать напряжение Uкб большей величины. Этим объясняется смещение влево начальных участков характеристик с увеличением тока Iэ.

Особенностью характеристик в области II является слабая зависимость тока коллектора Iк от напряжения Uкб. Ток коллектора определяется током эмиттера.

 

Некоторое увеличение тока Iк при увеличении отрицательного напряжения Uкб обусловливается увеличением коэффициента передачи тока эмиттера a вследствие возникаю щего эффекта модуляции толщины базового слоя (эффекта модуляции базы), а также некоторого роста обратного тока Iко. Эффект модуляции базы связан с расширением коллекторного перехода за счет увеличения объемного заряда в нем, вызванного повышением обратного напряжения на коллекторном переходе, которое практически равно Uкб. Поскольку расширение перехода происходит главным образом за счет базового слоя, как более высокоомного, то повышение напряжения Uкб приводит к уменьшению толщины базового слоя, а следовательно, к уменьшению числа рекомбинаций дырок с электронами в нем, увеличению коэффициента a, и соответственно тока коллектора Iк.

Некоторое возрастание тока Iк на выходных характеристиках при повышении напряжения Uкб вследствие увеличения коэффициента a за счет эффекта модуляции базы характеризуется ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ коллекторного перехода

которое может быть найдено из коллекторных (выходных) характеристик как отношение приращений напряжений и тока. Для маломощных транзисторов величина rкб - составляет 0,5 -1 МОм,

При- Iэ = 0 зависимость Ik =F(Uкб) представляет собой обратную ветвь ВАХ коллекторного р-n перехода. Обратный ток коллекторного р-n-перехода определяет составляющую Iко в коллекторном токе транзистора.

В области П выходные характеристики практически линейны, сопротивление rкб можно принять неизменным и зависимость Ik =F(Uкб) можно представить в аналитической форме:

(2)

и тем самым уточнить соотношение, полученное без учета эффекта модуляций базы.

Наличие составляющей Iко является одной из главных причин температурной зависимости выходных характеристик транзистора.

Для транзистора существует предел повышения коллекторного напряжения ввиду возможного электрического пробоя коллекторного перехода (область III), который может перейти в тепловой пробой. Величина допустимого напряжения Uкб указывается в справочниках.

ВХОДНЫЕ характеристики транзистора в схеме с ОБ (рис. 2,в) представляют собой зависимость Iэ =F(Uэб)| Uкб= const и по виду близки к прямой ветви ВАХ р-n перехода (диода). Входная характеристика, снятая при Uкб= 0 проходит через начало координат. Характеристики, снятые при больших напряжениях Uкб, располагаются левее и выше. Это обусловливается эффектом модуляции базы, приводящим к повышению градиента концентрации дырок в базе, возникновению внутренней обратной связи и увеличению тока Iэ. Входные характеристики транзистора характеризуются входным дифференциальным сопротивлением

сопротивлением

На рис. 3.а показана Т-образная схема замещения транзистора в физических параметрах, отражающая взаимосвязь приращений токов и напряжений на выводах транзистора в активной режиме. Схема содержит следующие элементы: rэ- дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, rэ jт/Iэ; rк - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода; aIэ - источник тока, управляемый током эмиттера, который отражает основное усилительное свойство транзистора - зависимость тока коллектора от тока эмиттера; rб -объемное сопротивление базы (составляет 100 - 400 Ом в зависимости от типа транзистора).

 

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА, ВКЛЮЧЕННОГО ПО СХЕМЕ С ОЭ

В схеме о ОЭ (рис. 4,а) вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепей транзистора. Напряжение Uэб определяет напряжение на эмиттерном переходе. Напряжение на коллекторном переходе определяется как разность: Uкб = Uкэ - Uбэ.

 

 

ВЫХОДНЫЕ характеристики транзистора в схеме с ОЭ определяют зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером Ik=F(Uкэ) при Iб=const (рис. 4,б). Как и для схемы с ОБ, здесь можно выделить три характерные области: I- начальную область; П - область относительно слабой зависимости Ik от Uкэ; III- пробой коллекторного перехода.

Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ отличается от соответствующих характеристик в схеме с ОБ. В частности, они начинаются из точки с координатами О, О и участок I располагается в первом квадранте. При Uкэ= 0 напряжение на коллекторном переходе равно Uбэ, коллекторный переход смещен в прямом направлении и инжектирует

дырки в базу. Потоки дырок через коллекторный переход (от коллектора в базу и от эмиттера в коллектор) взаимно уравновешиваются и ток Ik 0. По мере повышения напряжения Uкэ в области I прямое напряжение на коллекторном переходе снижается, его инжекция уменьша ется и ток Ik возрастает. На границе с областью II прямое напряжение на коллекторном переходе снижается до нуля, поскольку Uкэ становится равным по величине Uбэ. В области II |Uкэ| >|Uбэ| и на коллекторном переходе действует обратное напряжение. Точка перехода из области I в область II соответствует напряжение Uкэ порядка 5,5 - 1,5 В.

Отличие характеристик для схемы с ОЭ в области II видно, если выразить ток коллектора Ik через ток базы Iб. Заменим в выражении (2) ток эмиттера суммой Iб + Ik, после подстановки получим

или

(3)

где b- коэффициент передачи тока базы, b=a/(1-a); Iкэо- начальный ток коллектора прй Iб=0, Iкэо = Iко/(1-a)= Iко(1+b); rк(э)- дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ; rк(э)= rк(1-a)= rкб/(1+b)

Коэффициент b показывает связь тока коллектора с входным током Iб. Если для транзисторов коэффициент a = 0,95... 0,998..., тоb>>1, b 20 ...1000. Транзистор в схеме с ОЭ дает усиление по току. Это является важнейшим преимуществом включения транзистора по схеме с ОЭ, чем и определяется более широкое распространение этом схемы включения по сравнению со схемой с ОБ.

Так же, как и в схеме с ОБ, выходные характеристики имеют некоторый наклон к оси абсцисс (рис. 4.б), вызванные эффектом модуляции базы. Однако этот наклон в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ, так как малые изменения коэффициента, a под действием изменения напряжения на коллекторном переходе дают значительные изменения коэффициента b= a/(1-a). Это явление учитывается последним слагаемым в правой части уравнения (3). В результате дифференциальное сопротивление с rк(э) коллекторного перехода в схеме с ОЭ в (1 +b) раз меньше дифференциального сопротивления rк, в схеме с ОБ и составляет 30 - 40 кОм.

Через вывод базы во встречном направлении протекают две составляющие тока, обратный ток коллекторного перехода и часть тока эмиттера . В результате нулевое значение тока базы определяется равенством указанных составляющих токов: =Iко. Нулевому входному току соответствует ток эмиттера и ток коллектора . При нулевом токе базы через транзистор в схеме с OЭ протекает начальный или сквозной ток .

Если же эмиттерный переход перевести в непроводящее состояние, подав обратное напряжение , то ток коллектора снизится до и будет определяться обратным (тепловым) током коллекторного перехода, протекающим, по цепи база - коллектор . Область характеристик, лежащую ниже характеристики, соответствующей , называют областью отсечки.

Коллекторные характеристики в схеме с ОЭ более существенно подвержены температурным смещениям. Это обусловлено, во-первых, значительной величиной начального тока , температурные изменения которого в (1 + ) раз превышают изменения теплового тока, и, во-вторых, более сильными температурными изменениями коэффициента при относительно малых температурных изменениях коэффициента

В схеме с ОЭ пробой коллекторного перехода наступает при коллекторном напряжении в 1,5 - 2 раза меньшем, чем в схеме с ОБ.

ВХОДНЫЕ характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ, отражают зависимость тока базы от напряжения база - эмиттер при фиксированном напряжении коллектор - эмиттер:

(Рис. 4,в).

Ток базы составляет малую часть тока эмиттера .

При входная характеристика проходит через начало координат. Ток базы равен сумме токов эмиттера и коллектора, работающего в режиме эмиттера, составляющая отсутствует. При подаче отрицательного напряжения на коллектор происходит уменьшение тока , т.е, смещение вниз характеристик относительно кривой с из-за эффекта модуляции базы. В токе при присутствует составляющая Iко, поэтому при входные характеристики начинаются с отрицательного значения тока базы, равного . Транзистор включенный по схеме с общим эмиттером, характеризуется входным дифференциальным сопротивлением

,

которое в (1 + ) раз больше входного дифференциального сопротивления для схемы с ОБ.

На рис, 3,б показана Т-образная схема замещения транзистора, преобразованная для включения его по схеме с OЭ и отражающая взаимосвязь приращений токов и напряжений на выводах транзистора в активном режиме. Схема содержит следующие элементы: rэ-дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (то же, что и для схемы с ОБ); rк(э)-дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ, ; - источник тока, управляемый током базы, который отражает усилительное свойство транзистора по току - зависимость тока коллектора от тока базы объемное сопротивление базы (то же, что и для схемы с ОБ).

 

ТРАНЗИСТОР КАК АКТИВНЫЙ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК

Для расчета электронных схем при относительно малых приращениях токов и напряжений транзисторов, когда они работают на линейных участках характеристик, могут применяться Т-образные схемы замещения. Параметры транзистора, входящие в Т-образную схему замещения, непосредственно характеризуют физические свойства трехслойной полупроводниковой структуры. Прямое их измерение невозможно. Поэтому часто более удобно рассматривать транзистор в виде активного четырехполюсника, параметры которого можно определить опытным путем на основе измерения токов и напряжений на выводах. При этом информация о внутренней физической структуре не требуется. При малых приращениях токов и напряжений на входе и выходе транзистора взаимосвязь между ними будет линейной, как и у линейного четырехполюсника. Эта взаимосвязь выражается системой двух линейных уравнений.

Для транзистора как четырехполюсника в качестве независимых переменных обычно принимают приращения входного тока и выходного напряжения , а приращения входного напряжения и выходного тока выражают через так называемые h-параметры транзистора:

;

.

Неизвестные h -параметры транзистора легко определяются опытным путем:

- входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении;

- коэффициент передачи тока при неизменном выходном напряжении;

- коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе;

- выходная проводимость транзистора при неизменном входном токе.

Конкретные значения h -параметров зависят от схемы включения транзистора, режима работы и могут быть определены по соответствующим статическим характеристикам. Так, для схемы с ОБ по входным характеристикам (рис. 2,в) можно при любых заданных дать приращения токов, напряжений и найти

соответственно по выходным характеристикам (рис. 2,б):

h- параметры связаны с параметрами Т-образной схемы замещения следующим образом:

;

Подобным же образом определяются h- параметры для схемы с ОЭ (рис. 4,в):

;

;

Н схеме с ОЭ h- параметры выражаются через параметры соответствующей Т-образной схеме замещения (Рис. 3,б) следующим образом:

Из этих соотношение видна взаимосвязь h - параметров в схеме ОЭ с h - параметрами схемы ОБ.

Параметр имеет малую величину ( и при приближенных расчетах обычно не учитывается. На рис. 3, в показана схема замещения транзистора на основе h-параметров. Она не отражает внутреннюю структуру транзистора, но устанавливает взаимосвязь между приращениями токов и напряжений на его выводах.

Схема замещения транзистора с общим эмиттером

 

Данную Т-образную схему можно считать несколько упрощенной. На схеме замещения показаны основные первичные (собственные) параметры транзистора: сопротивление эмиттера rэ, базы rб и коллектора rк. Первичные и вторичные параметры между собой находятся во взаимной связи. Расчеты вторичных параметров основаны на том, что транзистор представляется в видеактивного четырехполюсника. При расчете и анализе схем информационной электроники пользуются системой h-параметров. Если входные ток и напряжение обозначить Iвх, Uвх, а выходные – Iвых, Uвых, то их связь через h-параметры выражается в виде уравнений:

 

 

Из уравнений независимо от схемы включения можно определить все h-параметры: h11, h12, h21, h22.

Как правило, в справочниках приводятся данные только по некоторым из h-параметров, чаще всего – h21. Этого недостаточно для расчета транзисторных схем.

Для определения остальных h-параметров, а также уточнения h21 используются статические входные и выходные характеристики. При этом на прямолинейных участках ВАХ выбираются рабочие точки, строятся характеристические треугольники, где отмечаются приращения токов и напряжений, и по их отношению рассчитываются все h-параметры, соответствующие выбранной схеме включения. Далее по рассчитанным значениям h-параметров определяются первичные или собственные параметры транзистора.


Дата добавления: 2015-04-16; просмотров: 32; Нарушение авторских прав


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Стабилизатора. | Расчет h-параметров для КТ207А с ОЭ.
lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2018 год. (0.032 сек.) Главная страница Случайная страница Контакты