• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗНСТОРИ

Класифікація та будова транзисторів. Біполярні транзистори є активними напівпровідниковими приладами, що забезпечують підси­лення потужності електричних сигналів. Будова біполярного транзис­тора така. Між трьома шарами напівпровідника різної електропровідності на межі їх поділу є два р-n-переходи. В залежності від харак­теру електропровідності зовнішніх шарів розрізняють транзистори типу р-n-р (рис, 1.13, а)і n-р-n (рис. 1.13, в).Умовні позначен­ня транзисторів цих типів показані відповідно на рис. 1.13. б. г.

Внутрішню область монокристала транзистора, що розділяє р-n­-переходи, називають базою (В). Зовнішній шар монокристала, що призначений для iнжектування (впроваджування) носіїв заряду в ба­зу, називають емітером (Е), а р-n-перехiд П1, що примикає до емітера , - емiтерним. Інший зовнішній шар, екстрагуючий (витягаючий) носії заряду з бази, називають колектором (С), а перехід П2 - колекторним. База є електродом, що керує струмом через транзистор, оскільки, змінюючи напругу між базою та емітером, можна керувати густиною струму інжекції, а отже, і екстракції.

Рис. 1.13

3алежно від матеріалу, застосовуваного для виготовлення транзис­торів, розрізняють германієві та кремнієві транзистори, а залежно від технології виготовлення - сплавні, вирощувані, дифузійні, епі­таксійні та планарні. У виробництві дискретних транзисторів звичай­но застосовується епітаксійно-планарна та мезапланарна техноло­гії, а у виробництві транзисторів інтегральних мікросхем - епітак­сійно-планарна.

Класифікаційні ознаки транзисторів за потужністю та частотним діапазоном відображені в третьому елементі їх позначення, що зобра­жує тризначний номер. Перший елемент позначення (цифра або бук­ва) вказує на вихідний матеріал напівпровідника: 1 або Г - германій, 2 або К - кремній. Другим елементом позначення для всіх транзисторів є буква Т, за винятком польових, що позначаються буквою П. Четвертий елемент позначення (буква) вказує на різновидність тран­зистора даного типу. Наприклад, ГТ905А - германієвий потужний високочастотний транзистор, різновидність типу А.

Якщо емітерний перехід зміщений напругою U_Е в прямому напрямі, а колекторний перехід напругою U_с - в зворотному (рис. 1.13, а, в), то ввімкнення транзистора називають нормальним. Змінивши по­лярність напруг U_Е та U_с, одержуємо інверсне ввімкнення.

Фізичні процеси в транзисторі. Основні процеси, що відбуваються в біполярному транзисторі, розглянемо на прикладі транзистора p-n-p-типу за однією з можливих схем його вмикання (рис. 1.14, а).

При відсутності зовнішніх напруг (U_Е = U_с = 0) поля в p-n-­переходах створюються лише об’ємними зарядами іонів, і усталені потенціальні бар'єри обох переходів φ_ке =φ_кк = φ_к, що показані на графіку розподілу електростатичного потенціалу (рис. 1.14, б) штриховими лініями, підтримують динамічну рівновагу, а струми че­рез переходи відсутні. При цьому в найбільш поширених без дрейфових транзисторах, що мають рівномірну концентрацію домішки в базі, електричне поле в останній відсутнє, і φ_к = соnst по всій товщині бази W_б.

При наявності U_Е та U_с, що визначаються відповідно джерела­ми Е_Е та Е_с, відбувається перерозподіл електричних потенціалів переходів (суцільна лінія, рис. 1.14, б). При вказаній на рис. 1.14, а полярності джерел зміщення (нормаль­не ввімкнення) створюються умови для iнжектування дірок з емітера в базу і переміщення електронів з бази в емітер. Оскільки концентрація електронів у ба­зі в багато разів менша, ніж концентра­ція дірок у шарі емітера, то зустрічний потік електронів значно менший. Тому при зустрічному переміщенні дірок та електронів відбувається лише їх частко­ва рекомбінація, а надлишок дірок уп­роваджується в базу, створюючи струм емітера I_Е.

Рис. 1.14

В результаті інжекції дірок у базу, де вони є неосновними носіями, в остан­ній виникає градієнт (перепад) концент­рації дірок, що приводить до їх дифу­зійного переміщення у всіх напрямах, в тому числі до колекторного р-п-переходу. Дрейф неосновних носіїв до колектора відіграє друго­рядну роль, оскільки φ_к = 0. При переміщенні неосновних носіїв через базу їх концентрація зменшується внаслідок рекомбінації з електронами, що надходять в базове коло від джерела Е_Е. Потік цих електронів створює базовий струм I_В.

Оскільки зменшення концентрації неосновних носіїв dn за час dt пропорційне концентрації n, то з врахуванням коефіцієнта пропорційності k можна записати

dn = - kndt.

Після приведення одержаного виразу до вигляду dn/n = - kdt та його інтегрування маємо

п = Сe^-kt, (1.6)

де С - стала інтегрування.

В момент t = 0 концентрація неосновних носіїв дорівнює початко­вій концентрації п₀ і згідно з рівнянням (1.6) С = п₀. Запроваджуючи також k = 1/τ, одержуємо

п = п₀e^-t/τ. (1.7)

Величину τ в рівнянні (1.7) називають часом життя неосновних носіїв, що являє собою інтервал часу, протягом якого концентрація не­основних носіїв у базі зменшується в е раз. Оскільки товщина бази су­часних транзисторів становить одиниці мікрометрів, то середній час пробігу неосновних носіїв через базу значно менший за час їх життя. В цих умовах більша частина дірок досягає колекторного p-n-пе­реходу і захоплюється його полем, рекомбінуючи з електронами, що надходять від джерела живлення Е_с. При цьому в колекторному колі протікає струм I_c, замикаючи загальне коло струму. Таким чином, для струмів транзистора справедливе співвідношення

I_Е = I_В + I_с . (1.8)

Перенесення струму з емітерного кола в колекторне характеризу­ється коефіцієнтом передачі струму біполярного транзистора в схемі з загальною базою

(1.9)

який у сучасних транзисторах досягає значення 0,95...0,99 і біль­ше, не перевищуючи, однак, одиниці. Тому I_В ≈ (0,05 - 0,01) I_Е та Ic ≈ (0,95 - 0,99) I_Е. З врахуванням (1.9) зв'язок між струмами транзистора визначається співвідношеннями

Ic = h_21B I_Е; (1.10)

I_В = I_Е - Ic = (1- h_21B) I_Е (1.11)

У формулах (1.9)-(1.11) I_Е, I_В, Ic - амплітудні значення струмів.

Якщо напругу в колі емітера змінювати в часі за законом зміни вхідного сигналу U _ВХ, то за тим самим законом будуть змінюватися всі струми транзистора, а отже, і напруга на опорі Rс навантаження.

Таким чином, зміна струму вхідного кола викликає відповідну змі­ну струму у вихідному колі (див. (1.10)). Оскільки емітерний р-n-перехiд ввімкнений у прямому напрямі, а колекторний - у зворотно­му, вхідна напруга впливає на колекторний струм значно сильніше, ніж вихідна. На цій властивості і грунтується підсилювальна дія тран­зистора. Змінні складові струмів і напруг зв'язані такими співвідно­шеннями:

U _ВХ = I_Е R_BХ; U _ВИХ = IcRc= h_21B I_Е Rc,

де R_BХ - вхідний опір транзистора.

Хоча коефіцієнт передачі струму h_21B менший за одиницю, кое­фіцієнти підсилення за напругою К_пU та за потужністю К_пP можуть досягати великих значень. Справа в тому, що при прямому ввімкненні емітерного переходу вхідний опір транзистора змінному струму ста­новить десятки ом, а опір колекторного переходу при зворотному ввімкненні досягає сотень кілоом. Тому вмикання у вихідне коло опо­ру R_С у кілька десятків кілоом не змінює порядку загального опору колекторного кола. При цьому R_С >>R_ВХ. Тоді коефіцієнт підсилення за напругою

К_пU = U _ВИХ/U_BX= IсRc/I_ER_BХ= h_21BRc/R_BX >>1, (1.12)

і коефіцієнт підсилення за потужністю

К_nР = Р_BИX/Р_BX = Iс²Rc/I_E ²R_BХ= h²_21BRc/R_BX >>1. (1.13)

Принцип роботи транзистора n-p-n-типу і транзистора p-n-p-типу відрізняється тим, що напруги, прикладені до першого для його нормального вмикання, мають протилежну полярність і неосновними носіями зарядів в базі є вільні електрони. Теоретичний аналіз та аналітичні вирази (1.6)-(1.13) аналогічні для обох типів транзисторів.

Рис.1.15

Статичний режим роботи біполярних транзисторів. Як елемент електричного кола транзистор використовують звичайно таким чином, що один з його електродів є вхідним, а другий - вихідним. Третій електрод є загальним відносно входу і виходу. В коло вхідного елек­трода вмикають джерело вхідного сигналу, а в коло вихідного – опір навантаження. В залежності від того, який електрод є загальним, роз­різняють три схеми вмикання транзисторів: із загальною базою (ЗБ), загальним емітером(ЗЕ) і загальним колектором (ЗК) (рис. 1.15). При цьому кожна схема характеризується двома сім'ями статичних характеристик, які визначають співвідношення між струмами в колах електродів транзисторів і напругами, що прикладені до цих електро­дів. Такими характеристиками є: вхідні

та вихідні .

Схема ЗБ, загальним електродом якої для вхідного і вихідного кіл є база транзистора (рис. 1.15, а), використовується для підсилення на­пруги і потужності. Однак ця схема не підсилює струму, оскільки вхід­ним струмом є струм емітера I_E, а вихідним - струм колектора I_С і згідно з виразом (1.8) I_C = I_Е - І_B < І_Е. Зв’язок між вхідним і вихідним струмами визначається рівнянням (1.10).

При розімкнутому колі емітера (I_Е = 0) В колі колектор-база протікає тепловий некерований струм колекторного p-n-переходу, змі­щеного в зворотному напрямі. Його називають зворотним струмом колектора I_C0. Тому повний вираз для струму колектора з урахуванням рівняння (1.10) має вигляд

(1.14)

У схемі ЗЕ, яка застосовується найбільш часто, вхідним є струм ба­зи, вихідним – струм колектора, а емітер є загальним електродом для вхідного і вихідного кіл транзистора (рис. 1.15, 6). Як і для схеми ЗБ, коефіцієнт передачі струму в схемі ЗЕ (коефіцієнт передачі струму бази) визначається відношенням вихідного струму до вхідного:

(1.15)

Підставивши в формулу (1.15) значення струму бази I_B = I_Е - I_C і розділивши чисельник та знаменник на I_Е, одержимо

( 1 . 16)

При зміні h_21B від 0,95 до 0,99 коефіцієнт h_21Е змінюється в ме­жах 20-100. Отже, схема ЗЕ дає значне підсилення за струмом. Оскільки ця схема дає також підсилення напруги, то підсилення по­тужності даної схеми значно більше, ніж у схемі ЗБ.

Підставивши в формулу (1.14) значення струму емітера І_Е = І_С + І_В, для струму колектора одержимо

(1.17)

Другий член у правій частині рівняння (1.17) являє собою нас­крізний тепловий струм колектора І^*_С0 при розімкнутому колі бази (І_В = 0) аналогічно струму І_С0 у схемі ЗБ при І_Е = 0, тобто

, (1.18)

Загальний струм колектора з урахування (1.16) та (1.18) визначається з виразу (1.17):

(1.19)

Сім'я вхідних характеристик транзистора для схеми ЗЕ показана на рис.1.16, а. При U_СЕ = 0 вольт-ам­перна характеристика аналогічна прямій вітці характеристики діода. Зі збільшенням напруги на базі базовий струм експоненціально збільшується, переходячи в лінійну залежність при порівняно невеликому струмі бази.

Вихідні характеристики транзистора для схем и ЗЕ відображують залежність (рис. 1.16, б) і описуються співвідношенням (1.19). При малих напругах на колекторі 0,2 - 0,3 В струм колектора не залежить від струму бази, а характеристики зливаються в одну лінію (область насичення). При 3і збільшенням вхідного струму бази згідно з рівнянням (1.19) збільшується струм колектора, тому при криві зміщуються вверх від характеристики Як видно з графіка, струм I_С при U_СЕ > 0,2 - 0,3 В слабо зростає з підвищенням напруги U_СЕ. Це свідчить про дифузійний характер переміщення неосновних носіїв заряду через базу, що не залежить від електричного поля колекто­ра. При U_СЕ = U_СE(ВR.) відбувається пробій колекторного переходу і колекторний струм різко зростає. Такий режим роботи транзистора є неприпустимим.

Рис. 1.16

У схемі ЗК транзистора (див. рис. 1.15, в) вхідним струмом, як і для схеми з ЗЕ, є струм бази , а вихідним - струм емітера I_Е. Ко­ефіцієнт передачі струму в цій схемі

(1.19а)

дещо більший ніж у схемі ЗЕ. Схема ЗК підсилює також потужність оскільки , для графічного аналізу схеми ЗК використовують сім’ї статичних характеристик схеми ЗЕ.

Характеристиками транзистора користуються для визначення ре­жимів роботи транзисторних каскадів за будь-якою схемою ввімкнення, а також для графічного аналізу цих каскадів при великих сигна­лах. Для аналітичного розрахунку транзисторних каскадів застосо­вують лінійні еквівалентні схеми транзисторів, які відображають структурний зв'язок малосигнальних параметрів транзистора в ре­жимі змінного струму.

Еквівалентні схеми транзистора підрозділяють на дві групи: ек­вівалентні схеми, побудовані з урахуванням фізичних властивостей транзистора, його структури і геометрії (моделі транзистора), і еквівалентні схеми, що відображають властивості транзистора як актив­ного лінійного чотириполюсника (формальні еквівалентні схеми). Перші характеризуються фізичними (внутрішніми) параметрами тран­зистора, останні - параметрами транзистора як чотириполюсника(характеристичними параметрами).

Еквівалентна схема, що вміщує в собі фізичні параметри транзис­тора, може бути складена для будь-якої схеми його вмикання: ЗБ, ЗЕ, ЗК. На рис. 1.17, а показано спрощену, так звану Т-подібну еквівалентну схему транзистора з емiтерним керуванням (рис. 1.15, а).

Емітерний перехід, зміщений у прямому напрямі, зображено в ек­вівалентній схемі диференційним опором переходу

(1.20)

який при зміні емітерного струму в межах одиниць або десятків мілі­ампер складає одиниці або десятки омів.

Коло бази транзистора зображено в еквівалентній схемі об’ємним активним опором бази r_B що становить сотні ом. Процес незначного росту колекторного струму I_С зі збільшенням напруги на колекторі U_CВ відтворений в еквівалентній схемі диференційним колекторним опором r_С що визначається співвідношенням

(1.21)

і становить звичайно сотні кілоомів.

Перенесення струму з емітерного кола в колекторне враховане вве­денням еквівалентного джерела струму з коефіцієнтом передачі струму емітера h_21В. Напрям струму джерела h_21В I_Е збігається з напрямом струму емітера.

Бар’єрна ємність С_С = С_б колекторного переходу, що визнача­ється рівнянням (1.5) і під’єднана паралельно активному опору r_С, призводить до збільшення провідності цього паралельного з’єднання. Тому зі збільшенням частоти змінного сигналу зменшується частина змінного струму I_С, який надходить у зовнішнє навантаження (зменшується h_21В). Таким чином, кінцева швидкість руху неосновних носіїв заряду через базу і ємність С_C обумовлює фазові зсуви між стру­мами на вході і виході транзистора, а отже, комплексний характер коефіцієнта передачі струму h_21В і зниження його модуля зі збільшенням частоти. Для покращання частотних властивостей транзистора змен­шують товщину бази (зменшується час переміщення неосновних носіїв через базу) і ємність С_C.

Т-подібну еквівалентну схему транзистора з фізичними парамет­рами (рис. 1.17, б) для схеми вмикання транзистора ЗЕ (див ­рис. 1.15, б) можна одержати із схеми (рис. 1.17, а), ввівши еквівалентне джерело струму h_21Е І_В що характеризує передавання струму з базового кола в колекторне з коефіцієнтом передачі струму бази h_21Е. Однак при I_B = const зміни колекторного струму такі самі, як і зміни емітерного струму що в (h_21Е + 1) разів більші відповідних змін струму бази. Тому паралельно генератору струму h_21Е І_В слід ввімкнути опір та ємність .

Рис. 1.17 Рис. 1.18

Характеристичні параметри транзистора можна знайти, якщо формально уявити транзистор у вигляді активного лінійного чотириполюсника (рис. 1.18, а) з вхідними струмом I₁напругою U₁ та вихідними струмом I₂, і напругою U₂. Якщо будь-які дві з цих чотирьох величин вважати незалежними то дві інші можна знайти з відповідних рівнянь, в які, крім вказаних величин, входять так звані харак­теристичні параметри.

На практиці найбільше поширена так звана система h-параметрів, в якій за незалежні змінні вибрано вхідний струм I₁ та вихідну напругу U₂. Струми та напруги при малих амплітудах змінних складових в цій системі зв'язані такими рівняннями:

(1.22)

де h₁₁ – вхідний опір транзистора при короткозамкненому вихідному колі Ом; h₁₂ – безрозмірний коефіцієнт зворотного зв’язку за напругою при розімкненому вхідному колі h₂₁ – без­ розмірний коефіцієнт передачі струму при короткозамкненому вихід­ному колі і h₂₂ – вихідна провідність транзистора при розімкненому вхідному колі См.

Еквівалентна схема транзистора, що відповідає системі h-параметрів, показана на рис. 1.18, б.

Читайте також:

1. ПОЛЬОВІ ТРАНЗНСТОРИ

Переглядів: 787