Биполярные транзисторы

Транзистор − это п/п прибор, имеющий 2 электронно-дырочных пере­хода, образованных слоями N-P или P-N-типа. Имеет 3 или бо­лее выводов. Изготавливают на базе германия или кремния. Термин «биполярный» обусловлен наличием 2-х типов носителей зарядов: электронов и дырок.

В зависимости от чередования областей различают транзисторы N-P-N и P-N-P-типа Рис.13.1, 13.2).

Рис.13.1 Структура биполярного транзистора

Рис.13.2. Условное обозначение биполярного транзистора

Центральный слой (рис.13.3) − называется базой (Б).

Наружный слой, являющийся источником зарядов − эмиттер (Э), принимающий заряды − коллектор (К). Источник питания Э-Б U_вх включают в прямом направлении (переход Э-Б имеет малое сопротив­ление). На переход коллектор-база источник энергии U_вх включают в обратном направлении.

Под действием Е_э электроны из эмиттера преодолевают N-P-переход и попадают в область базы, где частично рекомбинируют с дырками (рекомбинация − восстановление и воссоединение электрона и дырки), образуя ток базы I_б Обычно концентрация дырок в базе низкая и не все электроны рекомбинируют, большинство электронов вследствие диффузии и поля Е_к преодолевают коллекторный P-N-переход, и в цепи Б-К образуется ток коллектора - Iк₀

Когда I_ЭБ = 0, будет небольшой ток через коллекторный переход I_ко. Он обусловлен движением неосновных носителей заряда: электронов из базы в коллектор, дырок из коллектора в базу. Коллектор предназначен для экстракции (изъятия) неосновных но­сителей заряда из базы.

a = ΔI_к/ ΔI_э при U_кб = сonst

где a – коэффициент передачи тока.

a = 0,9 − 0,995(I_б − мал, I_к ≈ I_э, область n − тонкая, дырок мало и − I_б − мало)./

Транзисторы p-n-р-типа, работают аналогично, отличаются про­тивоположными направлениями E_э, E_к, I_б, I_э, I_к.

Рис.13.3. Схема транзистора с ОБ

Рассмотренная схема - схема с ОБ. Применяется редко, так как мал a и мало дифференциальное входное сопротивление R_вх:

R_вх = ΔU_вх/ΔI_вх = ΔU_бэ/ΔI_бэ

Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) − это основная схема (рис.13.4).

Рис.13.4. Схема транзистора с ОЭ

Эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей,

I_э = I_б + I_к

Коэффициент усиления по току с ОЭ: = Δ I_к/ Δ I_б при U_кэ = const

Так как I_б = Δ I_э – Δ I_к,

то если a = 0,995, то K_i = = Δ I_к / (Δ I_э – Δ I_к) делим числитель и знаменатель дроби на ∆I_э и получим, что

.

Достоинства: малый ток I_Б, большой β, коэффициент усиления по мощности достигает нескольких тысяч.

Схема с общим коллектором (ОК) (эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе примерно равно входному по величине и фазе) представлена на рис.13.5.

Рис.13.5. Схема транзисторов с ОК:

В этой схеме: I_Б – входной ток; I_Э – выходной ток, DІ_Э = DІ_Б – DІ_К

Коэффициент усиления по току

K _I = Δ I_э/ Δ I_б = (Δ I_б + Δ I_к)/ Δ I_б

Рис.13.6. Выходная характеристика транзистора

Используется для построения специальных каскадов, имеет большие R_вх и малое R_вых.

Основные характеристики и параметры транзисторов с ОЭ :

I_к(U_кэ) при I_б = const – выходные характеристики (рис.13.6);

I_б(U_бэ) при U_кэ = const – входная характеристика (рис.13.7,а);

I_к(U_бэ) при U_кэ = const – передаточная характеристика (рис.13.7,б).

а б

Рис.13.7. Входная и передаточная характеристики: а - входная; б - передаточная

Параметры:

1) дифференциальное выходное сопротивление (определяется по выходной характеристике)

Δ U_кэ /Δ I_к при I_Б = const;

2) дифференциальное входное сопротивление (определяется по входной характеристике)

R_вх =Δ U_бэ/Δ I_б при U_бэ = const;

3) крутизна

S = Δ I_к/Δ U_бэ п=Δ U_бэ при U_кэ = const;

4) статический коэффициент усиления μ = SR_вых ≈ SR_к.

Для расчета и анализа цепей с биполярными транзисторами используются h-параметры. Считают I_б и U_кэ независимыми переменными, a U_бЭ и I_к − зависимыми, т. е,

U_бэ = F₁(I_б,V_кэ),

I_к = F₂(I_б, U_кэ),

Обычно h-параметры определяют по характеристикам:

h₁₁ = Δ U_бэ/ Δ I_б при U_кэ = const (∆U_кэ = 0) – R_вх, Ом;

Безразмерный коэффициент обратной связи по напряжению:

h₁₂ = Δ U_бэ/ Δ U_кэ при I_б = const.

(h₁₂ = 0,002−0,0002 – мало, можно пренебречь).

Коэффициент передачи по току, безразмерный:

h₂₁ = Δ I_к/ Δ I_б при U_кэ = const.

Выходная проводимость

h₂₂ = Δ I_к/ Δ U_кэ при I_б = const.

Схема замещения представлена на рис.13.8..

Существуют следующие ограничения:

P_к = I_к · U_кэ ≤ P_к.max − для предотвращения перегрева коллектора;

U_кэ ≤ U_кэ.mах − во избежание пробоя коллекторного перехода, I_к ≤ ≤ I_к.mах − во избежание перегрева эмиттерного перехода. Для повышения P_к.mах делают транзисторные сборки на I_к до 500 А.

Рис.13.8. Схема замещения транзистора

Биполярные транзисторы широко применяются в усилителях, генераторах, логических и импульсных устройствах.

Полевые транзисторы

Полевой транзистор (ПТ) − это полупроводниковый прибор с токопроводящим каналом, ток в котором управляется электрическим полем .

Канал − это область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе. Электрод, из которого выходят заряды в канал, − исток; электрод, в который входят заряды из канала, − сток.

Затвор служит для регулирования поперечного сечения канала и его электропроводности (в полевых транзисторах).

1. В ПТ n-типа (рис.13.9) основными носителями заряда в канале являются электроны. Затвор – это р-область. Между затвором и каналом образуются р-n-переходы. Когда между З и И приложено U_зи < 0, запирающее р-n-переходы, оно вызывает вдоль канала равномерный слой, обедненный носителями заряда. Величина U_си больше вызывает неравномерность обедненного зарядами слоя, наименьшее сечение проводящего канала − вблизи стока, сопротивление возрастает.

Величина U_зи управляет сечением канала и его сопротивлением. Величина U_си управляет током через канал (рис.13.10).

а б

рис.13.9. Полевой транзистор (ПТ): а - структурная схема; б - условное обозначение

Когда U_cи + |U_зи| = U_зап, обедненные слои перекрывают канал и сопротивление канала резко возрастает (насыщение, I_c = сonst).

Рис.13.10. Схема канала ПТ

ПТ с управляющими р-n-переходами различают двух типов (рис.13.11, а, б). Схема ПТ с общим истоком представлена на рис.13.12.

аб

Рис.13.11Схемы управления ПТ: а - с n-каналом;

б - с р-каналом

в

Рис.13.12. Схема управления ПТ с общим истоком

2. Используются и ПТ с изолированным затвором, у которых между З и К есть слой диэлектрика SilО₂, а р-n-переход отсутствует. Их называют МОП-транзисторами (металл, окисел, полупроводник) или МДП транзисторы (металл, диэлектрик, полупроводник).

3. ПТ с затвором Шоттки. У них потенциал на затворе изменяет толщину перехода между металлом и полупроводником и изменяется R.

ПТ с изолированным затвором

с р-каналом с n-каналом

Основные характеристики рис.13.13:

I_c(U_cи) при U_зи = const − выходные (стоковые) характеристики.

I_c(U_зи) при U_си = const − переходная (строится по выходной).

Рис.13.13. Переходная и стоковые характеристики ПТ

Если одновременно подать напряжение U_зи < 0 и U_си > 0, то сечение канала и соответственно его сопротивление будут определятся действием суммы этих двух напряжений. Когда суммарное напряжение достигнет величины запирания, т. е. U_си + |U_зи| = U_зап, канал сомкнется, его сопротивление резко возрастет, транзистор – закроется. Зависимости тока стока I_с от напряжения U_cи при U_зи = const, определяют выходные или стоковые характеристики I_c = f(U_cи).

На начальном участке, когда U_cи + |U_зи| < U_зап, ток I_с возрастает с повышением U_си; когда напряжение U_cи ≥ U_зап − U_зи рост тока прекращается (участок насыщения). Увеличение отрицательного значения U_зи (1−2−3−4 В) уменьшает величину U_си и тока I_c. Более высокое напряжение U_cи приводит к пробою р-n-перехода и выходу из строя транзистора. По выходным характеристикам можно построить переходную или стоковую характеристику I_c = f(U_зи), U_cи = const

Основные параметры: крутизна (определяется по переходной характеристике)

S = ΔI_с/ ΔU_зи при U_си = const

Дифференциальное сопротивление cтока (определяется по выходной характеристике).

R_с = ΔU_си/ ΔI_с при U_зи = const

Достоинства: высокая технологичность; меньшая стоимость, чем биполярных, высокое R_вх. Применяются в усилительных каскадах с высоким R_вх, ключевых и логических схемах.

Обозначение транзисторов состоит из четырех элементов:

1) буква или цифра, указывающая на полупроводниковый материал;

2) буква T для бинарных, П − для полевых;

3) трехзначная группа цифр – это тип по классификации;

4) буква разновидности транзистора.

КТ 315А − кремниевый, биполярный транзистор малой мощности, высокой частоты, разновидность А.

Полевые транзисторы просты в изготовлении, дешевле. Можно получить высокую плотность расположения в микросхеме (на порядок выше, чем в Б-транзисторах) имеет очень высокое R_вх = 10¹¹−10¹⁷ Ом. Мало зависят от температуры и радиации, могут работать при t, близких к абсолютному нулю и

в космосе. Однако имеют малый коэффициент усиления, работают при невысоких частотах (до нескольких мГц).

ТИРИСТОРЫ

Различают динисторы имеют два выхода, тринисторы имеют три выхода.

Тиристором называют п/п прибор с тремя р-n-переходами. ВАХ имеет участок с отрицательным R_диф. Тиристор используется для переключения. Он имеет четырехслойную структуру с тремя переходами П1, П2, П3 (три вывода). Напряжение источника подают так, чтобы П1, ПЗ – были открыты, а П2 – закрыт (рис. 13.15).

Условное обозначение рис.13.14.

Рис.13.14. С управлением по аноду Рис.13.14. С управлением по катоду

Так как П1 и П3 открыты, то их сопротивления малы, а у закрытого П2 − велико. Все напряжение U_пp приложено к П2, ток I_пр − мал.

При некотором U_вкл.max происходит лавинообразное увеличение числа носителей заряда в П2, П2 имеет малое сопротивление, растет I_пр, значит увеличивается RI_пр, а U_пр уменьшается (0,5−1) В, происходит переключение тиристора (он открывается). ВАХ показана на рис.13.16.

Рис.13.15. Схема тринистора

Величина I_y − ток наименьшего удержания тиристора. Тиристор открыт до тех пор, пока ток через него превышает I_y (КУ 102Г – кремниевый трехэлектродный, разновидность Г).

Рис.13.16. ВАХ тиристора

Величину U_вкл можно снизить введением не основных носителей заряда тока в слой, прилегающий к П2, с помощью управляющего электрода.

Во избежание пробоя необходимо, чтобы U_обр < U_обр.max.

Кроме рассмотренных несимметричных тиристоров применяют симметричные, у которых обратная ветвь ВАХ совпадает с прямой (симистор). Это достигается встречно параллельным включением двух четырехслойных структур.

Условное обозначение симметричного триодного тиристора.

Основные параметры тиристоров следующие:

1) предельно допустимый анодный ток в открытом состоянии тиристора I_пр.max;

2) предельно допустимое обратное напряжение U_обр.max;

3) предельно допустимое прямое напряжение в закрытом состоянии тиристора U_пр.max;

4) ток удержания (в открытом состоянии) I_y.

Применяются в управляемых выпрямителях и инверторах, коммутационной аппаратуре.