Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Биполярным транзистором называют полу проводниковый прибор имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной – сплавление, диффузия и т.д. это в значительной мере определяет характеристики прибора.
В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n транзисторы и p-n-p транзисторы. Средняя часть рассматриваемых структур рассматриваемых структур называется базой, одна крайняя область называется коллектором другая эмиттером в несимметричных структурах.
Электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частотного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следущие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.
В линейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — 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 направлении, а эмиттерный — в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным — это режим пробоя.
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 Е,= t/бэ, через него протекает ток базы 1ц. Протекание тока базы приводит к ин-жекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется как i^=Bi„ где В — коэффициент передачи тока базы. Прямое напряжение С/бэ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса — Молла
iк=Ikб.о(eUбз/jт-1), (4.1)
где Iкб.о — обратный ток коллекторного перехода при его обратном смещении, (jт-— тепловой потенциал.
Из уравнения (4.1) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и выполнении условия 1/бэ><рг, ток коллектора растет с ростом напряжения 1/вэ по экспоненциальному закону:
iк=Ikб.оeUбз/jт, (4.2)
где eUбз/jт — контактная разность потенциалов.
При изменении полярности напряжения на эмиттерном переходе транзистор переходит в режим отсечки и ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода Л.обр^кв.о. Из уравнения (4.1) легко найти напряжение на эмиттерном переходе
Uбэ=jтln(Ik/Iкб.о+1), (4.3)
Поскольку фт=25мВ при Г=ЗООК, то уже при напряжении [/аэ^ЮОмВ можно считать, что (/в^=<Pтln(^к/^кб.o) Выходные вольт-амперные характеристики транзистора приведены на рис. 4.2 о. Линейная область на этих характеристиках отмечена штриховой линией. Транзистор будет находиться в линейной области, если напряжение на коллекторе достаточно большое и выходит за границу штриховой линии.
Отметим некоторые особенности характеристик транзистора в линейной области. Во-первых, приращение тока коллектора пропорционально изменению тока базы. Во-вторых, ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллекторе. В-третьих, напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит от тока базы.
Из сказанного следует, что в линейном режиме транзистор для малых приращений тока базы можно заменить источником тока коллектора, управляемого током базы. При этом, если пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать этот переход коротким замыканием. В результате для линейного режима можно использовать простейшую модель транзистора, приведенную на рис. 4.3 а.
Пользуясь этой моделью, можно легко рассчитать коэффициент усиления каскада, изображенного на рис. 4.3 б. Заменяя транзистор его моделью, получим эквивалентную схему, изображенную на рис. 4.3 в. Для этой формулы находим ik= Uc/Rб; ik=Biб Uk= ikRn= BiбRnоткуда
UcBR» Un= UcBRn/ Rб или Kn= Rn/ Rб
Если необходимо сделать расчет более точным, то модель транзистора можно усложнить введением других параметров, которые не учитывались при составлении схемы. Схеме замещения соответствуют уравнения, которые называются уравнениями транзистора в Я-параметрах
Uбj= H11iб + H12Ukj
Ik= H21iб + H22Ukj.
Физический смысл параметров, приведенных в системе уравнений (4.4), можно легко установить, если воспользоваться режимами холостого хода на входе схемы и короткого замыкания на ее выходе.
При холостом ходе на входе г'б=0, откуда находим два параметра
H12= Uбj/ UkjиH22= ik/ Ukj(4.5)
Аналогично при коротком замыкании на выходе (и^=0) находим два других параметра
H11= Uбj/ iб и H21= ik/ iб (4.6)
Параметры холостого хода в соответствии с (4.5) обозначаются как: Я^ — обратная передача по направлению и Нц — выходная проводимость. Параметры короткого замыкания определяются из (4.6) и имеют значения: Яц — входное сопротивление, Н^ — прямая передача по току.
Так, при Яц=Я)2=Ям=0
Отметим, что в справочниках по транзисторам обычно приводятся не все четыре Я-параметра, а только некоторые из них. Обязательно приводится параметр Нц=В — коэффициент передачи по току, а остальные, если они не приводятся, иногда можно рассчитать по уравнениям (4.5) и (4.6).
Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет' отпирание коллекторного перехода. Такая ситуация может возникнуть в схеме рис. 4.3 б, когда в коллекторной цепи включено сопротивление нагрузки R^. В этом случае увеличение тока базы ^ приведет к увеличению тока коллектора г„- В результате увеличится падение напряжения на нагрузке R» и уменьшится напряжение на коллекторе м„э. Условием насыщения транзистра является равенство нулю напряжения
Uкб=Uкj-Uбj=0. (4.7)
При глубоком насыщении транзистора выполняется условие и^>0. В любом случае при переходе в режим насыщения в базе протекает избыточный ток, т. е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе транзистора в линейном режиме. Выполнение условия и^=0 обычно называют граничным режимом, так как он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения. Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом насыщения, который определяют как отношение тока базы I& нас транзистора в насыщенном режиме к току базы /g^ в граничном режиме
q= Iб пос/ Iб гр (4-8)
При глубоком насыщении транзистора в базе накапливается большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора.
Поскольку в режиме насыщения напряжение между коллектором и эмиттером достаточно малое, то в этом режиме транзистор можно заменить замкнутым ключом, на котором падает небольшое напряжение. Схема замещения транзистора в режиме насыщения приведена на рис. 4.5 а. В соответствии с этой схемой замещения напряжение на насыщенном ключе определяется по формуле
Ukj. пос= IkRпос+ En, (4.9)
где Rпос. сопротивление насыщенного ключа, En=0,5... 0,1 В. В справочных данных на транзисторы обычно приводится значение С/„энас при заданном токе коллектора.
Другим ключевым режимом биполярного транзистора является режим отсечки. Перевести транзистор в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения. Граничным режимом в этом случае является выполнение условия и^О. В соответствии с этой схемой замещения транзистор в режиме отсечки имеет некоторое достаточно большое сопротивление Ry и параллельно включенный ему генератор небольшого тока утечки /ут^./кбо- На вольт-амперных характеристиках транзистора, приведенных на рис. 4.2 а, режиму отсечки соответствует горизонтальная линия при i'8=0.
В справочных данных на транзисторы для режима отсечки обычно приводится обратный ток коллектор — эмиттер /„л при заданном напряжении на коллекторе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером. Таким образом, два ключевых режима транзистора — режимы насыщения и отсечки — позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ S.
Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электронных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор попеременно переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим очень важным является скорость переключения такого ключа, которая обычно характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации.
Последним режимом работы транзистора является инверсный режим, при котором коллекторный переход смещается в прямом направлении, а эмиттерный в обратном.
По сути дела, в этом режиме коллектор и эмиттер меняются местами и роль коллектора теперь выполняет эмиттер. Если транзистор несимметричный, то обычно в инверсном режиме падает усиление транзистора (вщп,<Дл,,в)-