В помощь студентам БНТУ - курсовые, рефераты, лабораторные !


Схемы включения БТ

Схемы включения БТ

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3,в). Потенциал общего электрода принимается за нулевой (земля). Отсчёт напряжений на остальных электродах производится относительно точки нулевого потенциала. Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рис. 1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.

Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от полярности внешних напряжений, подаваемых на электроды транзистора, различают следующие режимы его работы.

  1. Активный режим – эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный – в обратном направлении (закрыт) (режим, при котором транзистор обладает активными свойствами, т.е. способен обеспечивать усиление по мощности).
  2. Режим отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении (закрыты) (в этом режиме транзистор заперт и ток его близок к нулю).
  3. Режим насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении (открыты) (в этом режиме транзистор полностью открыт и протекающий ток равен максимальному значению).
  4. Инверсный режим – коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В таком режиме коллектор выполняет роль эмиттера, а эмиттер – роль коллектора. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

 

Примечание: Скорость перехода транзистора из открытого состояния в закрытое и обратно главным образом зависит от переходных процессов в базе, связанных с накоплением и рассасыванием неравновесных носителей зарядов.

Принцип действия транзистора

Принцип действия транзисторов n-p-n и p-n-p типов одинаков, различие заключается лишь в полярности внешних напряжений и типа основных носителей, инжектированных в область базы.

Принцип действия транзистора принято рассматривать в активном режиме работы с общей базой (рис. 3, а). Под действием внешнего напряженияUэб эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а под действием Uкб коллекторный переход – в обратном.

При увеличении Uкб снижается потенциальный         барьер эмиттерного перехода, а так как концентрация электронов в эмиттере значительно больше концентрации дырок в базе, то происходит инжекция электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Это вызывает протекание токов инжекцииIэп –  электронного и Iэр – дырочного. Так как число дырок в области базы значительно меньше количества электронов в области эмиттера, то Iэп<<Iэр.

Для количественно оценки составляющих полного тока эмиттерного перехода вводят параметр – коэффициент инжекции или эффективность эмиттерного перехода: который показывает, какую долю от общего тока эмиттера составляет ток инжектированных в базу носителей заряда (в данном случае электронов). На практике коэффициент инжекции оказывается близким к единице (=0,98…0,995). Дырки, инжектированные из области базы в область эмиттера, полностью рекомбинируют. В дальнейшем этот процесс не рассматривается, поскольку инжекция электронов из эмиттера в базу является доминирующей.

Электроны, инжектированные в базу, создают в ней вблизи p-n перехода неравновесную концентрацию носителей, которая нарушает электронейтральность области базы. Для сохранения электронейтральности из внешней цепи от источника питанияUэб дырки через вывод базы устремляются к эмиттерному переходу, создавая ток . Таким образом, входная цепь эмиттер – база оказывается замкнутой, во внешней цепи протекает входной ток – ток эмиттера Iэ. Часть подошедших к эмиттерному переходу дырок рекомбинирует с инжектированными электронами, а вследствие разности концентраций (в диффузионных транзисторах)  и разности концентраций и наличия внутреннего электрического поля (в дрейфовых) электроны и дырки движутся вглубь базы к коллекторному переходу. Так как ширина базы значительно меньше диффузионной длины электронов, то большинство инжектированных электронов не успевает рекомбинировать. Электроны, подошедшие к обратносмещенному коллекторному переходу, попадают в ускоряющее полеUкб, экстрагируют (втягиваются) в коллектор, создавая ток коллектора Iкп, а подошедшие дырки отталкиваются полем коллекторного перехода и возвращаются к базовому выводу. Таким образом, выходная цепь – (коллектор–база) оказывается замкнутой и в ней протекает ток Iк.

Процесс переноса неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса:  величина которого зависит от ширины базы, диффузионной длины носителей и близка к единице: 0,988…0,995.

Экстракция электронов может сопровождаться ударной ионизацией атомов полупроводника и лавинным умножением носителей заряда в коллекторном переходе. Процесс умножения носителей оценивается коэффициентом лавинного умножения: В связи с этим ток коллектора, вызванный инжекцией основных носителей заряда через эмиттерный переход, равен: , где h21б=– статический коэффициент передачи тока эмиттера.

Кроме управляемого тока коллектора, который зависит от количества носителей, инжектированных из эмиттера в базу и экстрагированных из базы в коллектор с учётом коэффициента лавинного размножения, протекает обратный неуправляемый токIкбо . Причина появления этого тока обусловлена дрейфом неосновных носителей базы и коллектора к обратносмещённому коллекторному переходу и их экстракцией через него. Этот ток имеет такую же природу, как и обратный ток полупроводникового диода. Поэтому его называют обратным током коллекторного перехода.

Таким образом, принцип действия транзистора основан на следующих физических процессах:

  1. Инжекция носителей через прямосмещённый эмиттерный переход;
  2. Рекомбинации и диффузионном переносе носителей через область базы от эмиттерного к коллекторному переходу;
  3. Экстракции носителей через обратносмещённый коллекторный переход.

 

Основные параметры транзистора в схеме с общей базой

На практике чаще всего используются два семейства ВАХ транзисторов - входные и выходные. Входные характеристики определяют зависимость входного тока (базы или эмиттера в зависимости от способа включения транзистора) от напряжения между базой и эмиттером при фиксированных значениях напряжения на коллекторе. Выходные характеристики определяют зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при фиксированных значениях тока базы или эмиттера (в зависимости от способа включения транзистора). Входные характеристики имеют вид, аналогичный характеристикам диодов: ток экспоненциально возрастает с увеличением напряжения база-эмиттер. При повышении и понижении температуры входные характеристики смещаются в сторону меньших и больших входных напряжений соответственно. Напряжение между базой и эмиттером для кремниевых транзисторов уменьшается примерно на 2 мВ при увеличении температуры на каждый градус Цельсия. Особенностью выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ, является слабая зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-базаUкб. При больших напряжениях Uкб происходит пробой коллекторного перехода. При увеличении температуры выходные характеристики смещаются в сторону больших токов из-за увеличения обратного токаIко . У транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток коллектора более сильно зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Резкое возрастание тока коллектора начинается при меньшем коллекторном напряжении, чем для включения транзистора по схеме с ОБ. При повышении температуры выходные характеристики значительно смещаются в сторону больших токов, их наклон сильно увеличивается.

ВАХ транзисторов и диодов снимаются на постоянном токе (по точкам) или с помощью специальных приборов — характериографов, позволяющих избежать сильного нагрева приборов.

Входные и выходные характеристики транзисторов используются для расчета цепей смещения и стабилизации режима, расчета конечных состояний ключевых схем (режима отсечки, насыщения).

 

Рассмотрим способы измерения основных характеристик биполярных

транзисторов.

Вольтамперные характеристики. Схема для исследования ВАХ транзистора показана на рисунке 7. Семейство входных ВАХ снимается при фиксированных значениях Ukб  путем изменения тока Iэ и измерения Uэб.

Семейство выходных ВАХ снимается при фиксированных значениях Ie, путем изменения напряжения Ukб, и измерения Ik.

Основными параметрами транзисторов в схеме с общей базой являются:

  • Дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока:

  • Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:

  • Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:

  • Коэффициент внутренней связи по напряжению, характеризующий влияние коллекторного напряжения на эмиттерное:

При определении параметров приведенных выше с помощью ВАХ транзисторов производные заменяют конечными приращениями соответствующих величин.

Статические коэффициенты передачи тока эмиттера (a) и базы (β) определяются в соответствии с выражениями:

 

Частотные свойства биполярного транзистора

Частотные свойства определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты. Для биполярных транзисторов используется зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в схемах ОБ и ОЭ Н21Б и Н21Э. Обычно рассматривается нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме вместо приращения токов необходимо брать комплексные амплитуды, поэтому и коэффициенты передачи заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами:Н21Б и Н21Э.

Величины Н21Б и Н21Э могут быть найдены двумя способами:

• решением дифференциальных уравнений физических процессов и определением из них токов;

• анализом Т-образной эквивалентной схемы по законам теории электрических цепей.

Во втором случае Н21Б и Н21Э будут выражены через величины электрических элементов схемы. Мы проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему)n-р-n транзистора

На частотные свойства БТ влияют СЭ, СК и r½ ББ, а также время пролета носителей через базу t Б.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера Н21Б, который становится комплексным, следующим образом:

,

где Н21Б0- коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте, f - текущая частота, fН21Б- предельная частота.

Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен

Не трудно заметить, что модуль коэффициента передачи ½ Н21Б½ на предельной частоте fН21Б снижается в раз.

Сдвиг по фазе между входным и вых. токами определяется формулой:

Для схемы с ОЭ известно соотношение

Подставляя ( ) в ( ) получим

,

где .

Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

Как видно, частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Граничная частота fГР - это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи ½ Н21Э½ =1. Из формул  получим, что fГР» fН21Э× Н21Э0.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности КP> 1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

, где fН21Б-предельная частота в мегагерцах;
r1ББ-объемное сопротивление в омах; CК-емкость коллекторного перехода в

пикофарадах; fМАКС-в мГц.

Частота на которой модуль коэффициента передачи, a уменьшается в раз по сравнению с его значением на низкой частоте, называется граничной частотой fгр.Величина fгр для схемы с ОБ определяется из соотношения fгр = п / tD, где tд = W * W / 2Dр - среднее время диффузии носителей.

Граничные частоты для схемы с ОБ и ОЭ связаны формулой:

Wб = W * (1 - a0) = Wa /(1 + B0),

где B - модуль коэффициэнта передачи тока базы при W = 0. Граничная частота в схеме с ОЭ в 1 + B0 раз меньше чем в схеме с ОБ.

Чтобы охарактеризовать частотные свойства транзистора широко используются частотные характеристики; представляющие собой зависимость модуля коэффициента передачиa от частоты (АЧХ) (ФЧХ) С увеличением частоты W увеличивается сдвиг по фазе, обусловленный влиянием инерционных процессов при прохождении не основных носителей через базу; и в конечном счете уменьшается коэффициентa. Уменьшение коэффициента a происходит в результате того, что с повышением частоты ток коллектора отстает от тока эмиттера.

 

@reg

@support17

Сейчас 115 гостей онлайн

@(c)

Copyright © 2009-2011 Support17.com
Любое использование материалов, опубликованных на support17,
разрешается только в случае указания гиперссылки на Support17.com

@s

Родоначальницей всех приборостроительных специальностей явилась кафедра «Приборы точной механики», которая была открыта в 1961 г. на машиностроительном факультете.
В 1976 г. был организован оптико-механический факультет.