Биполярные транзисторы. Устройство и принцип действия биполярного транзистора.Биполярный транзистор –

Устройство и принцип действия биполярного транзистора.Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p–n–перехода.

В зависимости от последовательности чередования областей с различными проводимостями различают n–p–n–транзисторы и p–n–p–транзисторы. Роль выпрямляющего электрического перехода (как и в диоде) выполняет n–p. В биполярном транзисторе взаимодействуют два типа носителей заряда – электрон и дырка (отсюда и название – биполярный). На рис. 13 показаны условные графические обозначения биполярного транзистора.

Упрощенное устройство n–p–n–транзистора приведено на рис. 13, а, его схема замещения – на рис. 13, в.

а) б) в)

Рис. 13. Структура n–p–n–транзистора (а); его УГО (б) и схема замещения (в)

Средняя часть рассматриваемой структуры называется базой, одна крайняя область – коллектором, а другая – эмиттером. В несимметричной структуре электрод базы расположен ближе к эмиттеру. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усиление), насыщение и отсечка (ключевой) и инверсный.

В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход (база – эмиттер) смещен в прямом направлении, а коллекторный (база – коллектор) – в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки – в обратном. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный – в обратном.

Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимости от приложенных к его переходам напряжений. В линейном режиме, когда переход база – эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению E_Э = U_БЭ, через него протекает ток базы i_Б. Протекание тока базы приводит к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется как i_K = Bi_Б, где В – коэффициент передачи тока базы. Прямое напряжение U_БЭ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса – Мола:

i_K = I_КБ℮ ,

где I_КБ – обратный ток коллекторного перехода при его обратном смещении,
– тепловой потенциал, равный 25 mB.

Ток базы очень мал по сравнению с токами эмиттера и коллектора. Отношение этих токов равно нескольким десяткам. У транзисторов n–p–n типа напряжение коллектор – эмиттер и база = эмиттер – положительное.

В транзисторе всегда выполняется соотношение

I_Э = I_K + I_Б,

где I_Э – ток эмиттера, I_B – ток базы, I_K – ток коллектора.

Отношение токов транзистора является характеристикой его свойств как усилителя.

I_K = I_Э,

где = 0,05 … 0,99 – коэффициент передачи тока.

Если заменить I_Э через ток коллектора, то получим

I_K = I_Б,

где = /(1− ) – динамический коэффициент передачи тока базы.

Чаще всего используется параметр, относящийся к схеме включения транзистора с общим эмиттером, который характеризуется как статический коэффициент усиления

H_21Э = I_K/I_Б.

Схемы включения транзистора.В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора (рис. 14); с общей базой (ОБ); общим эмиттером (ОЭ); общим коллектором (ОК – эмиттерный повторитель).

а) б) в)

Рис. 14. Базовые схемы усилителей на биполярных транзисторах: с общей базой (а);
общим эмиттером (б); общим коллектором (в)

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной характеристиками ВАХ, показывающими, соответственно, зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора). Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора n–p–n типа для схем с общим эмиттером приведены на рис. 15.

а) б)

Рис. 15. Входная (а) и выходная (б) характеристики транзисторного усилителя

Входная ВАХ подобна прямой ветви ВАХ диода, а выходные (рис. 15) характеризуются вначале резким возрастанием выходного тока i_K при возрастании выходного напряжения U_КЭ, а затем, по мере дальнейшего роста напряжения, незначительно увеличиваются. Переход значений выходного тока на пологий участок соответствует границе насыщения транзистора, когда оба перехода открыты (U_КЭ > 0 и U_КБ > 0).

На выходной характеристике транзистора можно выделить три области: насыщения (левее линии Н_С – режим двойной инжекции); отсечки (ниже линии О_Т – закрытое состояние транзистора, когда U_БЭ < 0 и U_КЭ < 0); активный режим – между линиями Н_С и О_Т, соответствующий активному состоянию транзистора, когда U_БЭ > 0 и U_КЭ < 0 – номинальный режим работы транзистора.

Рассмотрим три основные схемы транзисторного усилителя, содержащего активный элемент (биполярный транзистор) и сопротивление нагрузки.

Схема с общим эмиттером

Параметром, который положен в основу рассмотрения в соответствии с эквивалентной схемой (рис. 16), является напряжение база – эмиттер в рабочей точке U_БЭ, составляющее ~ 0,6 B. Напряжение источника питания должно быть меньше напряжения питания U_{П MAX}. Обычно U_П ≤ 0,7 U_{П MAX}.

Рис. 16

Максимальный ток, протекающий через транзистор, определяется допустимой мощностью рассеивания на транзисторе. В этой схеме I_Э = I_K + I_Б.

При условии R_Н << r_K / коэффициент усиления по току и входное сопротивление усилителя соответственно равны:

K_I = h_21Э ≈ , R_BX = r_Эh_21Э,

где r_Э = _Т / I_Э – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

Коэффициент усиления по напряжению

K_U ≈ –h_21Э = – .

Соответственно выходное сопротивление R_ВЫХ = R_Н || r_CE , где r_CE – дифференциальное выходное сопротивление коллектор – эмиттер, r_CE = U_Y/I_K, где
U_Y – коэффициент пропорциональности (напряжение Эрли – 80…200 В для транзисторов n–p–n).

Усилитель имеет относительно большое входное сопротивление ≈ 1 кОм, очень большое выходное сопротивление, приближающееся к сопротивлению коллекторного перехода. Усилитель с такими параметрами приближается к источнику тока, управляемому напряжением.

Усилитель с общим коллектором – эмиттерный повторитель.В соответствии с эквивалентной схемой (рис. 17) ток эмиттера равен по значению и противоположен по знаку току I_K.

Рис. 17

При условии R_Н << r_K/ , где r_K – дифференциальное сопротивление коллектора.

Коэффициент усиления по току K_I = –( +1) = h_21Э.

Входное сопротивление R_BX = (1 + h_21Э)R_Н. Таким образом, коэффициент усиления по напряжению равен единице: K_U ≈ (K_I/R_Н)/R_BX ≈ 1. Поэтому можно считать, что усилитель ОК повторяет на выходе входное напряжение как по значению, так и по фазе. По этой причине усилитель ОК называют эмиттерным повторителем.

В соответствии с приведенными соотношениями выходное сопротивление усилителя R_ВЫХ ≈ r_Э. Как видно, выходное сопротивление усилителя ОК очень мало, и поэтому сопротивление нагрузки, шунтирующее R_ВЫХ, может быть при необходимости выбрано малым. Благодаря малому выходному сопротивлению эмиттерный повторитель близок к генератору напряжения.

Транзисторный ключ

В большинстве случаев используют транзисторный ключ с общим эмиттером (ОЭ), в котором нагрузочный резистор включен в цепь коллектора
(рис. 18, а). Напряжение и токи, соответствующие открытому (насыщение) и закрытому (отсечка) состояниям транзистора, могут быть определены с помощью выходных характеристик транзистора, включенного по схеме (ОЭ) (рис. 18, б).

Рис. 18. Схема транзисторного ключа (а) и выходная ВАХ транзистора
для схемы включения с общим эмиттером (б)

Нагрузочная прямая, соответствующая выбранному значению сопротивления R_Н, отсекает на оси абсцисс напряжение U_П, а на оси ординат – ток, равный U_П/R_H. Пересечение U_КБ = 0 с нагрузочной прямой дают точку границы режима насыщения (точка Н_С). Пересечение кривой i_Б = 0 с нагрузочной прямой дают точку границы режима отсечки (точка О_Т рис. 18, б).

Для работы в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна находиться либо левее точки Н_С (режим насыщения), либо правее точки О_Т (режим отсечки). Нахождение между точками Н_С и О_Т допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки, и наоборот. Длительность нахождения транзистора в состоянии в этой области для реального ЭК зависит от собственных частотных свойств транзистора. Поэтому это свойство определяет быстродействие и зависит от мощности, выделяющейся в ЭК, которая прямо пропорциональна времени нахождения рабочей точки транзистора в интервале Н_С – О_Т.

Ток базы в режиме насыщения равен сумме двух токов – току коллектора и току эмиттера прямо смещенных переходов.

I_{Б НАС} > I_K/h_21Э = I_{Б ГР}.

Превышение базового тока насыщенного транзистора над его граничным значением характеризуется коэффициентом насыщения:

q = I_{Б НАС} / I_{Б ГР.}

Помехоустойчивость транзисторного ключа тем больше, чем выше коэффициент насыщения.

Значение обычно выбирают в диапазоне 1,5 … 2,0.

Коммутационные процессы в транзисторе определяют динамические потери при его переключении. График временных процессов коммутации транзис-торного ключа изображен на рис. 19.

Рис. 19

Определить коммутационные параметры транзистора можно, зная граничную частоту его работы и коэффициент насыщения.

τ = ; t_ВКЛ = τln(q_НАС/(q_НАС ─1)); t_РАС = τln ; t_ВЫК = 0,7τ.

Представленные формулы даны для режима пассивного запирания. Временная диаграмма изображена на рис. 19.

Режим отсечки

При включении транзистора по схеме (ОЭ) в режим отсечки (выключено) в коллекторной цепи протекает ток, близкий обратному току коллекторного перехода. Увеличение напряжения u_БЭ приводит к увеличению тока базы лишь до u_БЭ = U_ОТП. При расчете импульсных схем используется напряжение отпирания (открывания) U_ОТП для кремниевых транзисторов 0,5…0,6 В.

Режим насыщения

Транзистор открывается, когда на вход подается положительное напряжение, и при условии U_Б > U_ОТП коллекторный I_K и базовый I_Б токи в транзисторе увеличиваются. По мере нарастания тока базы растет коллекторный ток и уменьшается коллекторное напряжение на резисторе R_H, а также уменьшается обратное напряжение U_КБ, приложенное к коллекторному переходу.

Напряжение на коллекторе U_{КЭ НАС} и базе U_{БЭ НАС} насыщенного транзистора остается постоянным, и выполняется неравенство U_{КЭ НАС} < U_{БЭ НАС}. Для кремниевых транзисторов напряжение насыщения, как правило, составляет U_{КЭ НАС} ~0,2…0,3 B; U_{БЭ НАС} ~0,5…0,8 B.