Сведения, необходимые для выполнения работы

Перед началом работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:

• устройство и принцип работы биполярного транзистора;

• основные характеристики биполярного транзистора;

• схемы включения биполярного транзистора и режимы его работы;

• особенности работы транзистора в режиме малого сигнала.

Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих p-n-перехода, называется биполярным транзистором. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости раз­личают p-n-p-транзисторы и n-p-n-транзисторы. Их условные обозначения и устройство приведены на рисунке 2.1.

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Рисунок 2.1 - Условные обозначения и устройство транзисторов p-n-p (а, б) и n-p-n (в, г) типов (показано смещение переходов транзисторов при работе в линейном режиме)

В основном биполярные транзисторы применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десяти гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте (низкочастотные - не более 3 МГц; средней частоты - от 3 МГц до 30 МГц; высокочастотные - от 30 МГц до 300 МГц; сверхвысокочастные - более 300 МГц) и по мощности (маломощные - не более 0,3 Вт; средней мощности - от 0,3 Вт до 1,5 Вт; большой мощности - более 1,5 Вт).

Разновидностью биполярных транзисторов являются лавинные транзисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносекундного диапазона.

Другую разновидность биполярных транзисторов представляют двухэмиттерные модуляторные транзисторы, в которых конструктивно объединены две транзисторные структуры.

Широкое распространение в последние годы получили составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

В линейном режиме работы биполярного транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки - оба р-n-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Кроме рас­смотренных режимов, возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным, - это режим пробоя.

Принцип работы биполярного транзистора основан на возможности управления токами электродов путем изменения напряжений, приложенных к электронно-дырочным переходам. В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению U_B3> через него протекает ток базы I_Б. Протекание тока базы приводит к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется выражением:

I_k=b_DC·I_Б’ (2.1)

где b_DC - статический коэффициент передачи тока базы.

Прямое падение напряжения U_БЭ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:

(2.2)

где - обратный ток коллекторного перехода, а j_Т - температурный потенциал, который при температуре Т = 300 К составляет для кремния примерно 25 мВ.

Из выражения (2.2) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и при условии U_БЭ > j_т ток коллектора возрастает с ростом напряжения U_БЭ по экспоненциальному закону:

(2.3)

где U_БЭ < y_K - контактная разность потенциалов.

Важнейшими характеристиками транзистора являются его входная и выходные вольтамперные характеристики. Типичные ВАХ биполярного транзистора приведены на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Входная (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора

Кроме ВАХ, рассматривают статический коэффициент передачи тока, коэф­фициент передачи тока, дифференциальное входное сопротивление. Значения этих характеристик зависят от схемы включения транзистора. На рисунке 2.3 приведена схема включения биполярного транзистора с обратной проводимостью (n-p-n типа) по схеме с общим эмиттером. Для такой схемы справедливо следую­щее соотношение между токами:

I_Э= I_Б+ I_k (2.4)

где I_Э, I_Б, I_k - сила тока в цепях эмиттера, базы и коллектора соответственно. Рассмотрим основные характеристики биполярного транзистора.

Рисунок 2.3 - Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Статический коэффициент передачи тока b_DC определяется как отношение тока коллектора I_k к току базы I_k

(2.5)

Коэффициент передачи тока b_АC определяется приращением DI_k коллекторного тока к вызывающему его приращению DI_Б базового тока:

(2.6)

Дифференциальное входное сопротивление r_i транзистора в схеме с общим эмиттером определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению тока базы:

(2.7)

Используя полученные ранее параметры транзистора, дифференциальное входное сопротивление r_вх можно определить по формуле:

(2.8)

где r_Б - распределенное сопротивление базовой области полупроводника, r_э -дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из вы­ражения: r_э = 25/I_э, а I_Э - постоянный ток эмиттера в миллиамперах.

Первое слагаемое в выражении (8) много меньше второго, поэтому им можно пренебречь. Тогда:

(2.9)

Биполярные транзисторы чаще всего используются в усилительных каскадах. На рисунке 2.4 изображен типичный транзисторный каскад с общим эмиттером. Ре­жим работы биполярного транзистора в таком каскаде определяется силой базо­вого тока. Для того чтобы базовый ток был стабилен, база соединяется с источни­ком напряжения Е_Б через высокоомное сопротивление R_Б.

Рисунок 2.4 – Установка рабочей точки с помощью стабильного базового тока

Для определения режима работы транзисторного каскада удобно построить линию нагрузки на выходной характеристике транзистора. Данный способ позволяет описать поведение транзистора во всех основных режимах работы, а именно: насыщения, усиления и отсечки.

Режим насыщения имеет место в случае, когда ток коллектора не управляется током базы. Эта ситуация возникает при условии где I_КН — ток насыщения коллектора. Значение этого тока определяется сопротивлением R_K в цепи коллектора и напряжением источника питания Е_к:

(2.10)

Режим насыщения характеризуется низким падением напряжения коллектор-эмиттер (порядка 0,1 В). Для перевода транзистора в этот режим необходимо, что­бы через базу транзистора протекал ток, больший, чем ток насыщения базы I_БН:

(2.11)

Для того чтобы базовый ток стал равным току насыщения, сопротивление резистора R_Б следует выбрать равным:

(2.12)

В режиме усиления ток коллектора меньше тока насыщения 1_ет, и для его вычисления можно воспользоваться уравнением линии нагрузки цепи коллектора:

(2.13)