Біполярні транзистори Пристрій, класифікація і принцип дії біполярних транзисторів 1) Класифікація і маркіровка транзисторів. Транзистором називається напівпровідниковий преобразовательный прилад, що має не менше трьох виводів і здатний підсилювати потужність. Класифікація транзисторів проводиться по наступних ознаках: За матеріалом напівпровідника – зазвичай германієві або кремнієві; За типом провідності областей (тільки біполярні транзистори): з прямою провідністю (p-n-p - структура) або із зворотною провідністю (n-p-n - структура); За принципом дії транзистори підрозділяються на біполярних і польових (уніполярні); По частотних властивостях; НЧ (<3 Мгц); СРЧ (3ч30 Мгц); ВЧ і СВЧ (>30 Мгц); По потужності. Малопотужні транзистори ММ (<0,3 Вт), середній потужності СРМ (0,3ч3Вт), могутні (>3 Вт). Маркіровка
I – матеріал напівпровідника: Г – германій, До – кремній. II – тип транзистора за принципом дії: Т – біполярні, П – польові. III – три або чотири цифри – група транзисторів по електричних параметрах. Перша цифра показує частотні властивості і потужність транзистора відповідно до нижче приведеної таблиці. Таблиця 1
IV – модифікація транзистора в 3-ій групі. 2) Пристрій біполярних транзисторів. Основою біполярного транзистора є кристал напівпровідника p-типа або n-типа провідності, який також як і виведення отнего називається базою. Дифузією домішки або сплавом з двох сторін від бази утворюються області з противопо-ложным типом провідності, ніж база.
Мал. 5 Мал. 61 Область, що має велику площу p-n переходу, і вивід від неї називають колектором. Область, що має меншу площу p-n переходу, і вивід від неї називають емітером.p-n перехід між колектором і базою називають колекторним переходом, а між емітером і базою – емітерним переходом. Напрям стрілки в транзисторі показує напрям протікаючого струму. Основною особливістю пристрою біполярних транзисторів є нерівномірність концентрації основних носіїв зарядів в емітері, базі і колекторі. У емітері концентрація носіїв заряду максимальна. У колекторі – декілька менше, ніж в емітері. У базі – вомного разів менше, ніж в емітері і колекторі (малюнок 6). Рис. 6 3) Принцип дії біполярних транзисторів. При роботі транзистора в підсилювальному режимі емітерний перехід відкритий, а колекторний – закритий. Це досягається соответствую-щим включенням джерел живлення.
Мал. 7 Оскільки емітерний перехід відкритий, то через нього протікатиме струм емітера, вызванныйпереходом електронів з емітера в базу і переходом дірок з бази в емітер. Отже, струм емітера матиме дві складові електронну і діркову. Еффектівностьеміттера оцінюється коефіцієнтом інжекції:
Інжекцією зарядів називається перехід носіїв зарядів з області, де вони були основними в область, де вони стають неосновними. У базі електрони рекомбінують, а їх концентрація в базі поповнюється від «+» джерела Ее, за рахунок чого в ланцюзі бази буде протекатьочень малий струм. Електрони, що залишилися, не встигли рекомбінувати в базі, під прискорюючою дією поля закритого колекторного переходу як неосновні носії переходитимуть в колектор, утворюючи струм колектора. Перехід носіїв зарядів з області, де вони були не основними, в область, де вони стають основними, називається екстракцією зарядів. Ступінь рекомбінації носіїв зарядів в базі оцінюється коефіцієнтом переходу носіїв зарядів :
Основне співвідношення струмів в транзисторі:
--- коефіцієнт передачі струму транзистора або коефіцієнт посилення по струму:
Дірки з колектора як неосновні носії зарядів переходитимуть в базу, утворюючи зворотний струм колектора Iкбо.
З трьох виводів транзистора на один подається вхідний сигнал, з другого – знімається вихідний сигнал, а третій вивід є загальним для вхідного і вихідного ланцюга. Таким чином, розглянута вище схема отримала назву схеми із загальною базою.
Мал. 8
Напруга в транзисторних схемах позначається двома індексами залежно від того, між якими виводами транзистора ця напруга вимірюється.
t Мал. 9 Оскільки всі струми і напруга в транзисторі, крім постійної складової мають ще і змінну складову, то її можна представити як приріст постійною склад ляющей і при визначенні будь-яких параметрів схеми користуватися або змінною склад ляющей струмів і напруги, або приростом постійної складової.
де Ik,Iэ - змінні складові колекторного і емітерного струму sIк, siэ - постійні складові. Схеми включення біполярних транзисторів Схеми включення транзисторів отримали свою назву залежно від того, який з виводів транзисторів буде загальним для вхідного і вихідного ланцюга. 1) Схема включення із загальною базою (дивитеся малюнок 8). Будь-яка схема включення транзистора характеризується двома основними показниками: - коефіцієнт посилення по струму Iвых/Iвх (для схеми із загальною базою Iвых/Iвх=Iк/Iэ=? [?<1]) - вхідний опір Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ. Вхідний опір для схеми із загальною базою мало і складає десятки Ом, оскільки вхідний ланцюг транзистора при цьому є відкритим емітерним переходом транзистора. Недоліки схеми із загальною базою: Схема не підсилює струм ?<1 Малий вхідний опір Два разных джерела напруги для живлення. Достоїнства – хороші температурні і частотні властивості. Еквівалентна схема транзистора 1) Еквівалентна схема транзистора з Про. Еквівалентна схема транзистора може бути побудована на підставі того, що опір відкритого емітерного переходу складає десятки Ом. rэ = n 10 Ом rб = n 100 Ом rк = n (10 ч 100) кОм
Мал. 10
Система h-параметрів транзистора Y-параметри 1) h-параметри і їх фізичний сенс 2) Визначення h-параметров по статичних характеристиках 3) Y-параметри транзисторів 1) h-параметри і їх фізичний сенс. У системі h-параметров у вигляді незалежних змінних прийняті вхідний струм і вихідна напруга. В цьому випадку залежні перемен- ные U1 = f (I1, U2); I2 = f (I1, U2). Повний диференціал функцій U1 і I1 рівний
Перейдемо від нескінченно малих приростів dU1, dI1, dU2, dI2 до кінцевих приростів. Отримаємо:
У режимі малого сигналу приріст постійних складових sU1, sI1, sU2 і sI2 можнозаменить амплітудними значеннями змінних складових цих же струмів і напруги. Отримаємо:
У першому рівнянні системи (1) прирівняємо Um2 до 0. Отримаємо:
h11 – це вхідний опір транзистора при Um2 = 0 тобто при короткому замиканні у вихідному ланцюзі по змінному струму (конденсатором). У першому рівнянні системи (1) прирівняємо Im1 до 0. Отримаємо:
h12 – є коефіцієнт зворотного зв'язку на неодруженому ходу у вхідному ланцюзі по змінному струму. Коефіцієнт зворотного зв'язку показує ступінь впливу вихідної напруги на вхідне (котушкою індуктивності). У другому рівнянні системи (1) прирівняємо Um2 до 0. Отримаємо:
h21 – коефіцієнт посилення по струму транзистора або коефіцієнт передачі струму при короткому замиканні вихідного ланцюга по змінному струму. Прирівняємо в другому рівнянні системи (1) Im1 до 0. Отримаємо:
h22 – вихідна провідність на неодруженому ходу у вхідному ланцюзі. 2) Визначення h-параметрів по статичних характеристиках. Оскільки статичні характеристики транзисторів вимірюються тільки на постійному струмі, то при визначенні амплітудних параметрів струмів і напруги представимо у вигляді приросту постійних складових.
Величини h11 і h12 визначаються по вхідних характеристиках транзистора. Розглянемо графоаналітичне визначення h параметрів на прикладі схеми із загальним емітером. З огляду на те, що транзистор завжди працює з вхідним струмом, потрібно користуватися вхідними і вихідними характеристиками (дивитеся Мал. 11). Вважатимемо, що опір навантаження каскаду буде однаковим і для постійного, і для змінного струму. Необхідний h- параметр розраховується з приведених нижче формул. З малюнків видно, що підставлювані у формули дані знаходяться шляхом проекції крапок на осі координат.
Рис.11
Параметри h21 і h22 визначаються по вихідних характеристиках (дивитеся Мал. 11).
3) Y-параметри транзисторів. Параметри транзисторів є величинами, що характеризують їх властивості. За допомогою параметрів можна оцінювати якість транзисторів, вирішувати завдання, зв'язані із застосуванням транзисторів в різних схемах, і розраховувати ці схеми. Для транзисторів запропоновано декілька різних систем параметрів, у кожної свої достоїнства і недоліки. Всі параметри діляться на власних (або первинні) і вторинних. Власні характеризують властивості самого транзистора, незалежно від схеми його включення, а вторинні параметри для різних схем включення різні. Основні первинні параметри: коефіцієнт посилення по струму ?, опори rб, rэ, rк. Y-параметры відносяться до вторинних параметрів. Вони мають сенс провідності. Для низьких частот вони є чисто активними і тому їх іноді позначають буквою g з відповідними індексами. Всі системи вторинних параметрів засновані на тому, що транзистор розглядається як чотириполюсник (2 входи і 2 виходи). Вторинні параметри зв'язують вхідні і вихідні змінні струми і напруга і справедливі тільки для малих амплітуд. Тому їх ще називають низькочастотними малосигнальними параметрами. Вхідна провідність: y11 = sI1 / sU1, U2 = Const. Провідність зворотного зв'язку: y12 = sI1 / sU2, U1 = Const. Параметр y12 показує, яка зміна струму I1 виходить за рахунок зворотного зв'язку при зміні вихідної напруги U2 на 1В. Провідність управління (крутизна): y21 = sI2 / sU1, U2 = Const. Величина y21 характеризує дію вхідної напруги U1, що управляє, на вихідний струм I2 і показує зміну I2 при зміні U1 на 1В. Вихідна провідність: y22 = sI2 / sU2, U1 = Const. У систему у-параметров іноді додають ще статичний коефіцієнт посилення по напрузі P = - sU2 / sU1 при I2= Const. При цьому P = y21 / y22. Гідність у-параметров - їх схожість з параметрами електронних ламп. Недолік дуже важко вимірювати y12 і y22, оскільки треба забезпечити режим КЗ для змінного струму на вході, а вимірюючий мікроамперметр має опір, порівнянний з вхідним опором самого транзистора. Тому набагато частіше використовують змішані (або гібридні) h параметри, які зручно вимірювати і які приводять у всіх довідниках.
