Напряжение насыщения биполярного транзистора

Режим отсечки и насыщения транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

  • o Режим отсечки (cut off mode).
  • o Активный режим (active mode).
  • o Режим насыщения (saturation mode).
  • o Инверсный ражим (reverse mode ).

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V-0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Кроме этих режимов существует ещё инверсный режим, который используется очень редко.

Когда напряжение между базой и эмиттером ниже, чем 0.6V – 0.7V, то p-n переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора практически отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

В активном режиме на базу подано напряжение, достаточное для того чтобы p-n переход между базой и эмиттером открылся. Возникают токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Если увеличивать ток базы, то может наступить такой момент, когда ток коллектора перестанет увеличиваться, т.к. транзистор полностью откроется, и ток будет определяться только напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки в цепи коллектора. Транзистор достигает режима насыщения. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечиваться источником питания при данном сопротивлении нагрузки, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы. В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен». Все эти режимы можно разъяснить с помощью выходных характеристик транзистора.

Рассмотрим каскад усиления на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 4.14). При изменении величины входного сигнала будет изменяться ток базы Iб . Ток коллектора Iк изменяется пропорционально току базы:

Режим отсечки и насыщения транзистора

Рис. 4.14. Схема усилительного каскада (рисунок выполнен авторами)

Изменение тока коллектора можно проследить по выходным характеристикам транзистора (рис. 4.15). На оси абсцисс отложим отрезок, равный ЕК – напряжению источника питания коллекторной цепи, а на оси ординат отложим отрезок, соответствующий максимально возможному току в цепи этого источника:

Между этими точками проведем прямую линию, которая называется линией нагрузки и описывается уравнением:

Где UКЭ – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; RК – сопротивление нагрузки в коллекторной цепи.

Режим отсечки и насыщения транзистора

Рис. 4.15. Режимы работы биполярного транзистора (рисунок выполнен авторами)

Из (4.5.3) следует, что

И, следовательно, наклон линии нагрузки определяется сопротивлением RК. Из рис. 4.15 следует, что в зависимости от тока базы Iб, протекающего во входной цепи транзистора, рабочая точка транзистора, определяющая его коллекторный ток и напряжение UКЭ, будет перемещаться вдоль линии нагрузки от самого нижнего положения (точки 1, определяемой пересечением линии нагрузки с выходной характеристикой при Iб=0), до точки 2, определяемой пересечением линии нагрузки с начальным крутовозрастающим участком выходных характеристик.

Читать также: Самодельный выжигатель по дереву своими руками

Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей Iб=0, называется зоной отсечки и характеризуется тем, что оба перехода транзистора – эмиттерный и коллекторный смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного перехода – IК0, который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания EК падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:

А падение напряжения на нагрузке очень мало и равно:

Говорят, что в этом случае транзистор работает в режиме отсечки. Поскольку в этом режиме ток, протекающий по нагрузке исчезающе мал, а почти все напряжение источника питания приложено к закрытому транзистору, то в этом режиме транзистор можно представить в виде разомкнутого ключа.

Если теперь увеличивать базовый ток Iб, то рабочая точка будет перемещаться вдоль линии нагрузки, пока не достигнет точки 2. Базовый ток, соответствующий характеристике, проходящей через точку 2, называется током базы насыщения Iб нас. Здесь транзистор входит в режим насыщения и дальнейшее увеличение базового тока не приведет к увеличению коллекторного тока IК. Зона между осью ординат и круто изменяющимся участком выходных характеристик называется зоной насыщения. В этом случае оба перехода транзистора смещены в прямом направлении; ток коллектора достигает максимального значения и почти равен максимальному току источника коллекторного питания:

а напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора оказывается очень маленьким. Поэтому в режиме насыщения транзистор можно представить в виде замкнутого ключа.

Промежуточное положение рабочей точки между зоной отсечки и зоной насыщения определяет работу транзистора в режиме усиления, а область, где она находится, называется активной областью. При работе в этой области эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном (Петрович В. П., 2008).

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Режим отсечки и насыщения транзистора

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

Режим отсечки и насыщения транзистора

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Режим отсечки и насыщения транзистора

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Режим отсечки и насыщения транзистора

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

Читать также: Как правильно чертить циркулем

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

Режим отсечки и насыщения транзистора

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I B , сильно меняется ток коллектора I С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

Режим отсечки и насыщения транзистора

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Режим отсечки и насыщения транзистора

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Читать также: Чем склеить стекло и пластик

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

  • Режим отсечки (cut off mode).
  • Активный режим (active mode).
  • Режим насыщения (saturation mode).
  • Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается β, hfe или h21e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Похожие записи:

  1. Должен ли звониться резистор
  2. Как сделать борта на прицеп своими руками
  3. Насадка гриндер на болгарку своими руками
  4. Редуктор цилиндрический с параллельными валами

Биполярные транзисторы

Формула

Биполярный транзистор представляет собой трехвыводной полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р-n перехода. В современной электронике биполярные транзисторы уже практически не используются как силовые ключевые элементы. Причиной этого является низкое быстродействие, в сравнении с MOSFET-транзисторами, сравнительно большее энерговыделение, большие мощности управления, сложности параллельного включения и т.д. Поэтому в данной работе биполярные транзисторы будут рассматриваться с целью использования в качестве функциональных элементов (систем обратной связи, усилительных каскадов и т.д.).

Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:

Достаточно подробно про внутреннюю структуру транзисторов изложено в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.]. Резюмируя можно сказать, что быстродействие n-p-n транзистора существенно больше быстродействия p-n-p структуры. По этой, а также еще по нескольким причинам n-p-n транзисторов по номенклатуре существенно больше, чем p-n-p транзисторов. Вот такая ассиметрия.

Области использования биполярных транзисторов:

  • в линейных стабилизаторах напряжения;
  • в усилительных каскадах электронных схем;
  • в генераторных устройствах;
  • в качестве ключевого элемента;
  • в качестве элемента логических схем;
  • и т.д. и еще много где применяется, не зря за него Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтер Браттейну нобелевскую премию дали.

Биполярный транзистор имеет два p-n перехода – эмиттерный и коллекторный. База у переходов общая. Биполярный транзистор управляется током.

Условное обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структур показано на рисунке BJT.1.

Классификация биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы условно подразделяются на различные типы в соответствии со следующими измерениями параметров:

  • рабочая частота;
  • рассеиваемая мощность;
  • структура (обычный транзистор или составной транзистор Дарлингтона);
  • и разумеется тип полупроводниковой структуры – n-p-n и p-n-p.

Основные схемы включения биполярного транзистора

Мы не будем вдаваться в подробности внутренней кухни транзистора в сложные хитросплетения взаимодействия мужественных электронов и женственных дырок. Просто рассмотрим транзистор как маленький черный ящик с тремя ножками. Существует три основных способа включения трех ножек транзистора:

  • схема с общим эмиттером;
  • схема с общей базой;
  • эмиттерный повторитель.

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером – самая распространённая схема включения биполярного транзистора (рисунок BJT.3). Обеспечивает усиление сигнала, как по напряжению, так и по току. Обеспечивает максимальное усиление по мощности среди всех прочих схем включения биполярного транзистора. В данной схеме протекание тока по цепи база-эмиттер IB (часто просто называемый ток базы) приводит к протеканию тока в цепи коллектор-эмиттер IC (называемый обычно просто током коллектора). Коэффициент пропорциональности между током базы и током коллектора называется коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером hFE:

Формула

Еще hFE часто обозначается как β или в советской литературе как h21э.

Важным преимуществом схемы является возможность использования только одного источника питания. Кроме этого, при проектировании схем важно учитывать то, что выходное напряжение инвертируется относительно входного.

Схема с общей базой

Значительно менее распространённое включение биполярного транзистора (рисунок BJT.4).

Обеспечивает усиление сигнала, но только по напряжению. Ток практически не изменяется или немного уменьшается. Ток в цепи коллектора связан с током эмиттера IE коэффициентом передачи ток α близким к единице, но меньшим её:

Формула Формула

Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:

Формула

1

где hFE – все тот же коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Фактически силовой ток течет по цепи коллектор-эмиттер, то есть ток нагрузки полностью втекает в управляющий источник E. Это определяет малое входное сопротивление схемы Rin, фактически равное дифференциального сопротивления эмиттерного перехода

Формула

VBE – напряжение база-эмиттер

Соответственно ток базы мал и равен:

Формула

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель потому и называется повторителем, что он не усиливает входной сигнал по напряжению, а «повторяет» его. Или почти повторяет. В схеме сопротивление нагрузки включено так, что напряжение не нем вычитается из приложенного напряжения, чем реализуется отрицательная обратная связь. Схема включения биполярного транзистора в режиме эмиттерного повторителя представлена на рисунке BJT.5.

Усиление достигается только по току:

Формула

Соответственно входное сопротивление повторителя равно:

Формула Формула

hFE — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером;

Rload – сопротивление нагрузки.

В реальности выходное напряжение отстает от входного на величину падения напряжения на переходе «база-эмиттер» (приблизительно равное 0,6 В):

Формула

Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора

Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером представлена на рисунке BJT.6. Поскольку в схемах включения транзистора присутствуют две цепи (два контура) – цепь управления и цепь нагрузки то имеют место две характеристики — входная и выходная. Входная характеристика (рисунок BJT.6, а) представляет собой зависимость тока базы от напряжения на переходе «база-эмиттер» при различных напряжениях «коллектор-эмиттер». При увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» характеристика смещается вправо – ток базы уменьшается при том же значении напряжения «база-эмиттер». Выходная характеристика представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения «коллектор-эмиттер» при различных токах базы, что образует семейство кривых. С ростом тока базы возрастает и ток коллектора пропорционально значению hFE (справедливо для малых сигналов). При постоянном токе базы ток коллектора несколько возрастает при увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» (рисунок BJT.6, б).

Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора

Основные параметры биполярного транзистора

  1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-Emitter Voltage) VCEO – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора. Один из наиболее важных параметров транзистора.
  2. Максимальное напряжение коллектор-база (Collector-Base Voltage) VCBO – максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора. Это напряжение несколько выше (на 20-30%) чем максимальное напряжение коллектор-эмиттер.
  3. Максимальный постоянный ток коллектора (Collector Current — Continuous) IC – максимальная величина тока через коллекторный переход в стационарном режиме.
  4. Максимальное обратное напряжение эмиттер-база (Emitter-Base Voltage) VEBO — максимально допустимое напряжение между управляющего перехода база-эмиттер транзистора.
  5. Ток утечки коллекторного перехода (Collector Cut-Off Current) ICEX – ток, протекающий через закрытый коллекторный переход под действием приложенного обратного напряжения.
  6. Ток утечки эмиттерного перехода (Base Cut-Off Current) IBL – ток, протекающий через эмиттерный переход под действием приложенного обратного напряжения. При этом к коллекторному переходу также приложено напряжение.
  7. Коэффициент передачи тока (DC Current Gain) hFE – усилительная характеристика транзистора. Коэффициент равен отношению следствия — тока коллекторного перехода к причине — току эмиттерного перехода.
  8. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (Collector-Emitter Saturation Voltage) VCE(sat) — минимальное напряжение между коллектором и эмиттером в открытом состоянии (в «совсем открытом» состоянии при большом токе базы). Обычно составляет 0,2-0,4 В.
  9. Напряжение насыщения эмиттерного перехода (Base-Emitter Saturation Voltage) VBE(sat) – напряжение между базой и эмиттером при заданном токе базы.
  10. Максимальная частота работы транзистора (Current Gain — Bandwidth Product) fT – при этой частоте транзистор уже не усиливает сигнал, и коэффициент передачи тока становится равным единице.
  11. Выходная емкость, емкость коллектор-база (Output Capacitance, Collector-Base Capacitance) CCBO – емкость коллекторного перехода.
  12. Входная емкость, емкость эмиттер-база (Input Capacitance, Emitter-Base Capacitance) CEBO – емкость эмиттерного перехода.
  13. Уровень шумов (Noise Figure) NF — уровень собственных шумов транзистора.
  14. Время задержки включения (Delay Time) td — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении.
  15. Время задержки выключения (Storage Time) ts — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при выключении.
  16. Время включения (Rise Time) tr — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время нарастания тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
  17. Время включения (Fall Time) tf — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время спада тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
  18. Максимально выводимая тепловая мощность (Total Device Dissipation) PD – максимальное количество энергии, которую можно отвести от транзистора, выполненного в том или ином корпусе.
  19. Тепловое сопротивление кристалл-корпус (Thermal Resistance, Junction to Case) RθJC – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и его корпусом.
  20. Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance, Junction to Case) RθJA – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и воздушной средой при условии свободной конвекции.
  21. Время включения, время выключения, времена задержки включения выключения – описывают динамические свойства транзистора при тех или иных конкретных условиях.

Комплементарность транзисторов

В ряде типовых схемотехнических решений необходимо одновременное использование транзисторов n-p-n и p-n-p структуры имеющих практически идентичные параметры. Такие транзисторы называют комплементарными. Ниже приведена таблица наиболее широко используемых пар комплементарных транзисторов.

Таблица BJT.1 — Некоторые комплементарные пары биполярных транзисторов

n-p-n p-n-p
КТ3102 КТ3107
2N3904 2N3906
BC237 (238,239) BC307 (308,309)
2N4401 2N4403
2N2222A 2N2907 (* почти)
2N6016 2N6015
2N6014 2N6013
BC556
(557, 558, 559, 560)
BC546
(547,548, 549, 550)

Поиск пар комплементарных транзисторов можно осуществлять на ресурсе [http://www.semicon-data.com/transistor/tc/2n/tc_2n_208.html].

Измерение коэффициента усиления по току

Транзисторы в пределах каждого конкретного типа имеют значительный разброс по коэффициенту усиления тока. В случае необходимости точного измерения коэффициента усиления по току использую тестеры с опцией измерения hFE.

Составной транзистор

Для увеличения коэффициента усиления используется схема включения двух и более биполярных транзисторов. Существует две разновидности схем составных транзисторов: схема Дарлингтона и схема Шиклаи (рисунок BJT.7). Каждая из представленных схем включает управляющий транзистор и силовой, через который протекает основная доля тока нагрузки.

В схемы может быть введен дополнительный резистор для изменения рабочих характеристик составного транзистора и улучшения динамических свойств схемы.

Функционально в схеме Дарлингтона резистор обеспечивает протекание постоянного тока через эмиттер управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового транзистора слабо зависит от тока базы.

Ниже представлены расчеты коэффициента передачи тока составного транзистора для схем Дарлингтона и Шиклаи.

Расчет схемы Дарлингтона

Формула

  1. Выбираем ток коллектора силового транзистора IC2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип;
  2. Определяем по справочному листу коэффициент передачи тока hFE2 выбранного силового транзистора в соответствии с выбранным током коллектора;
  3. В соответствии с током коллектора IC2 и коэффициентом передачи тока силового транзистора hFE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора IB2:
  4. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер VBE2.
  5. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона IC2/IB1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Формула

Ток эмиттера первого транзистора:

Формула

Формула

Проводим ряд преобразований:

Формула Формула Формула Формула Формула Формула Формула

hFE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

hFE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

VBE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

IC2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

IB1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Формула

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора фактически равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Расчет схемы Шиклаи

Формула

  1. Выбираем ток коллектора силового транзистора IC2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип.
  2. В соответствии с током коллектора IC2 и коэффициентом передачи тока выбранного силового транзистора hFE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора IB2:
  3. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер VBE2.
  4. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона IC2/IB1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Формула

Ток коллектора первого транзистора:

Формула

Формула Формула Формула Формула Формула Формула

hFE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

hFE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

VBE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

IC2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

IB1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Шиклаи. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Формула

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Функционально в схеме Шиклаи резистор обеспечивает протекание постоянного тока через коллектор управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового p-n-p транзистора слабо зависит от тока базы.

Биполярный транзистор- подробное описание всех параметров полупроводника

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – один из двух основных видов транзисторов, изготавливается в виде трёхэлектродного полупроводникового прибора. В каждом из этих проводников имеются последовательно расположенные слои обладающие n-проводимостью (примесной) или p-проводимостью (дырочной). Таким образом, формируются биполярные транзисторы n-p-n или p-n-p типов.

Три электрода в биполярном транзисторе подключены соответственно к каждому из трёх проводящих слоёв.

В момент работы биполярного транзистора происходит одновременная передача разнотипных зарядов, переносимых электронами и дырками. То есть всего задействовано два типа зарядов, потому этот транзистор и носит название «биполярный» («би» означает «два).

Биполярный транзистор

Рис.1: Устройство биполярного транзистора.

Соединённый со средним слоем электрод обозначается как «база». Два крайних электрода именуются «коллектор» и «эмиттер». По типу проводимости два этих канала одинаковы. Однако, с целью получения устройства с необходимыми характеристиками, слой, соединённый с эмиттером, делают более легированными примесями, а соединённый с коллектором – наоборот. Как результат, допустимое коллекторное напряжение увеличивается. Учёт уровня обратного напряжения, при котором происходит пробой эмиттерного перехода, не столь важен, поскольку для сборки электронной схемы обычно применяют модели с прямым смещением по эмиттерному p-n-переходу, что превращает схему практически в проводник. Помимо прочего, легированный эмиттерный слой облегчает переход неосновных носителей в центральный проводящий слой, способствуя увеличению коэффициента преобразования по току в схеме с ОБ (общей базой).

Также, в модифицированной конструкции коллекторный p-n-переход по размерам значительно превосходит эмиттерный. Данный параметр обусловлен необходимостью улучшения сбора неосновных носителей, поступающих из слоя базы, и подъёма коэффициента передачи.

Быстродействие биполярных транзисторов зависит от толщины базового слоя: чем он толще, тем медленнее функционирует вся схема. Но крайне истончать этот слой тоже нельзя. При уменьшении толщины уменьшается и временной отрезок, требующийся для прохождения неосновных носителей через тело базового слоя, но вместе с тем происходит значительное уменьшение предельного коллекторного напряжения. Поэтому подбор правильного размера базы осуществляется с учётом обоих этих явлений.

Устройство и принцип действия

Биполярный транзистор

Рис.2: Планарный биполярный n-p-n транзистор в поперечном разрезе

Самые первые модели биполярных транзисторов выполнялись с применением металлического германия (полупроводниковый материал). На данный момент для этих целей используется монокристаллический кремний и монокристаллический арсенид галлия.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор

Рис.3: Монокристаллы кремния и арсенида галлия

Наиболее быстродействующими устройствами являются те, в которых задействован арсенид галлия. По этой причине их наиболее часто применяют как элементы сверхбыстродействующих логических схем и схем сверхвысокочастотных усилителей.

Как уже говорилось выше, структура биполярного транзистора складывается из эмиттерного, базового и коллекторного слоёв с различным уровнем легированности, и каждый слой соединён со своим электродом, представленный омическим (невыпрямляющим) контактом.

Слаболегированный базовый слой транзистора отличается большим уровнем омического сопротивления.

При соотнесении контактов эмиттер-база и коллектор-база можно отметить, что первый уступает по размерам второму.

Подобная конструкция обусловлена следующими моментами:

  • Большой коллекторно-базовый переход позволяет увеличить количество передаваемых от базы к коллектору неосновных носителей заряда (ННЗ);
  • На момент активной работы К-Б-переход функционирует в условиях обратного смещения, что вызывает сильное тепловыделение в зоне коллекторного перехода, поэтому, чтобы улучшить его теплоотводность приходится увеличивать площадь.

Таким образом «идеальный» симметричный биполярный транзистор фигурирует только в теоретических выкладках, а перенос теорию на практическую базу демонстрирует, что наибольшим КПД обладают именно те модели, которые не обладают симметрией.

В режиме активного усиления в транзисторе происходит прямое смещение Э-перехода (он становится открытым), и обратное смещение К-перехода (он становится закрытым). В противоположной ситуации, при закрытии Э-перехода и открытии К-перехода происходит инверсное включение биполярного транзистора.

Если подробнее рассматривать процесс функционирования транзисторов n-p-n типа, то в первую очередь наблюдается переход основных НЗ (носителей заряда) из эмиттерного слоя по Э-Б-переходу в базовый слой. Часть НЗ, представленных электронами взаимодействует с дырками базы, что приводит к нейтрализации обоих зарядов и сопутствующему выделению энергии. Тем не менее, базовый слой достаточно тонок и легирован достаточно слабо, это увеличивает общее время процесса взаимодействия, поэтому гораздо большее количество эмиттерных НЗ успевает проникнуть в коллекторный слой. Кроме того, сказывается действие силы электрического поля, образуемого смещённым коллекторным переходом. Благодаря этой силе значительно увеличивается количество перетягиваемых из базового слоя электронов.

В результате, значение коллекторного тока практически равняется эмиттерному за вычетом потерь в базовом слое, которыми и исчисляется ток самой базы. Для вычисления значения коллекторного тока используется формула:

где Iк – коллекторный ток, Iэ – эмиттеный ток, α– коэффициент передачи тока эмиттера.

Спектр значений коэффициента α варьируется от 0,9 до 0,99. Большие значения позволяют производить более эффективную трансляцию тока транзистором. Величина α при этом не определяется тем, какое напряжение демонстрируют К-Б и Б-Э переходы. Как результат, в условиях множества вариантов рабочего напряжения сохраняется пропорциональное соотношение между Iк и Iб. Для нахождения коэффициента данной пропорциональности применяется формула:

Значения β могут находиться в диапазоне 10-100. Отсюда можно сделать вывод о том, что для регуляции работы большого коллекторного тока, вполне можно обходиться током малой силы на базе.

Разновидности порядка действия биполярных транзисторов

Нормальный активный режим

  1. Открытая эмиттерно-базовая область (смещение по прямому направлению);
  2. Закрытая коллекторно-базовая область (смещение по обратному направлению);
  3. Положительный уровень напряжения в эмиттерно-базовой области;
  4. Отрицательный уровень напряжения в коллекторно-базовой области.

Пункты 3 и 4 приведены для p-n-p транзисторов. Для моделей с n-p-n структурой характеристика будет обратной данной.

Инверсный активный режим

  1. Обратное смещение на эмиттерном переходе;
  2. Прямое смещение на коллекторным переходе.

Остальные пункты как для нормального активного режима.

Режим насыщения

  1. Соединение Э-перехода и К-перехода с внешними источниками;
  2. Прямое смещение эмиттерного и коллекторного перехода;
  3. Ослабление диффузного электрического поля из-за электрического поля внешних источников;
  4. Снижение уровня потенциального барьера, что приведёт к ослаблению контроля диффузии основных НЗ, а также смещению большого количества дырок из эмиттерных и коллекторных областей в область базы.

Вследствие последнего пункта происходит формирование эмиттерных и коллекторных токов насыщения (Iэ.нас. и Iк.нас.)

В этом же режиме фигурирует понятие «напряжение насыщения» на переходе К-Э. Благодаря ему можно определить степень падения напряжения для открытого транзистора. Подобным образом напряжение насыщения для перехода Б-Э определяет степень падения напряжения для приведённого участка.

Режим отсечки

  • Смещение по обратному направлению в К-области;
  • Смещение Э-перехода по любому направлению, при условии, что оно не превысит пороговый показатель, который отграничивает начало процесса испускания электронов эмиттером в базовый слой.

Уровень приведённого показателя в случае с кремниевым биполярным транзистором достигает 0,6-0,7 Вольт, значит режим отсечки возможен при нулевой силе тока на базе, либо при уровне напряжения менее 0,7 Вольт на Э-Б переходе.

Барьерный режим

  • Соединение базового сегмента и коллектора на коротко, либо с применением малогабаритного резистора;
  • Производится подключение резистора к коллекторной или эмиттерной цепи, чтобы он мог задавать ток посредством транзисторного элемента.

Действие в представленном режиме преобразует полупроводниковый триод в аналог диода с последовательным подключением к токозадающему резистору. Каскад, построенный в соответствии с данной схемой,имеет небольшое количество составляющих и почти не зависит от характеристик используемого устройства.

Схемы включения

Для характеристики включающей транзисторной схемы применяются два значимых показателя:

  • Величина коэффициента фиксирующего усиление по току, которое вычисляется через отношение тока выхода (Iвых) к току входа (Iвх);
  • Значение входного сопротивления (Rвх), которое вычисляется через отношение входного напряжения (Uвх) к току входа (Iвх).

Включение с общей базой (ОБ)

Рис.4: Усилитель с ОБ

  • Вариант схемы, при котором уровень сопротивления на входе является самым низким, а выходе – самым высоким;
  • По α (коэффициенту усиления по току) приближается к 1;
  • Обладает большим Кu (коэффициентом усиления по напряжению);
  • Не происходит инвертации фазы сигнала.

Для определения коэффициента α необходимо вычислить отношение тока коллектора к току эмиттера (иначе – отношение тока выхода к току входа).

Для определения входного сопротивления Rвх следует вычислить соотношение входного напряжения и входного тока (иначе – соотношение напряжения на переходе Э-Б и эмиттерного тока). Значение этого параметра для схем с ОБ достигает максимум 100 Ом (в биполярном транзисторе малой мощности).

Плюсы применения схем включения с ОБ

  • Хорошее температурное и частотное значение;
  • Высокий уровень допустимого напряжения.

Минусы применения схем включения с ОБ

  • Незначительная степень усиления по току (поскольку, значение коэффициента α не достигает единицы);
  • Низкий уровень входного сопротивления;
  • Работа обеспечивается двумя разными источниками напряжения.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

  • Ток на выходе соответствует току коллектора;
  • Ток на входе соответствует току базы;
  • Напряжение на входе соответствует напряжению на Б-Э переходе;
  • Напряжение на выходе соответствует напряжению на К-Э переходе.

Вычислить коэффициент β (усиление по току) для данной схемы можно, через отношение тока выхода к току входа (тока коллектора к току базы; тока коллектора к разности эмиттерного и коллекторного токов).

Для определения входного сопротивления (Rвх) высчитывается отношение напряжения на входе к току на входе (напряжения на Б-Э переходе к току на базе).

Плюсы применения схем включения с ОЭ

  • Большое значение коэффициента β;
  • Большое значение коэффициента усиления по напряжению;
  • Самый высокий уровень усиления мощности;
  • Задействуется только один источник питания;
  • Происходит инвертация выходного напряжения (по отношению к входному).

Плюсы применения схем включения с ОЭ

  • Температурное и частотное значение гораздо ниже относительно схем включения с ОБ.

Включение с общим коллектором (ОК)

  • Ток на выходе соответствует току на эмиттере;
  • Ток на входе соответствует величине тока в области базы;
  • Напряжение на входе соответствует напряжению на Б-К переходе;
  • Напряжение на выходе соответствует напряжению на К-Э переходе.

Вычисление β показателя осуществляется через отношение тока на выходе к току на входе (тока в области эмиттера к току в области базы; тока эмиттерной области к разнице Э и К тока).

Величина сопротивления на входе определяется по отношению напряжения на входе к току на входе (отношению суммы напряжений на Б-Э и К-Э переходах к токовому показателю на базе).

Схема с данным типом подключения носит название эмиттерного повторителя.

Плюсы эксплуатации схем включения с ОК

  • Значительный уровень сопротивления на входе;
  • Низкий уровень сопротивления на выходе.

Минусы эксплуатации схем включения с ОК

  • Величина показателя, характеризующего усиление по напряжению, не достигает единицы.

Значимые показатели у биполярных транзисторов

  • Величина показателя, характеризующего передачу по току;
  • Уровень сопротивления на выходе;
  • Величина выходной проводимости;
  • Величина обратного К-Э тока;
  • Время, требуемое для включения;
  • Уровень предельной частоты показателя, характеризующего передачу тока базы;
  • Величина обратного тока в коллекторной области;
  • Величина максимально допустимого тока;
  • Уровень граничной частоты показателя, характеризующего передачу тока (для схем с ОЭ).

Существует деление определяющих качеств биполярного транзистора на две основные группы. Первая группа параметров определяет перечень признаков, проявляющихся при работе транзистора, но не зависящих от использованного типа подключения. Сюда относятся:

  • Величина показателя усиления по току α;
  • Общее сопротивление эмиттера;
  • Общее сопротивление коллектора;
  • Значение сопротивления на базе по поперечному направлению.

Если говорить о параметрах второй группы, то они меняются согласно использованной схеме включения. Кроме того, необходимо учитывать отсутствие линейности транзисторных свойств, поэтому перечень вторичных характеристик можно применять только по отношению к низкоуровневым частотам и импульсам с малой амплитудой.

Вторичными параметрами считают:

  • Уровень сопротивления на входе;
  • Значение показателя демонстрирующего обратную связь по напряжению;
  • Величина показателя передачи тока;
  • Уровень выходной проводимости.

Помимо вышеперечисленных моментов следует учитывать, что высокая частота влечёт за собой снижение ёмкостного сопротивления, снижение силы тока и последующее уменьшение величин коэффициентов α и β. Частотный показатель, вызывающий уменьшение α и β на 3 дБ обозначается как граничный.

Сферы применения

Полупроводниковые триоды могут использоваться для создания:

  • Усилителей, каскадов усиления;
  • Генераторов сигналов;
  • Модуляторов;
  • Демодуляторов (детекторов);
  • Инверторов (логических элементов) и т.д.

Дополнительную информацию можно найти на http://www.aistsoft.ru/. Система АИСТ крупный ресурс данных по специализированной информации(технические описания, паспорта, чертежи, сертификаты и другое).

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.