Биполярный транзистор устройство принцип работы. Биполярные транзисторы

Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Каждый из этих типов имеет свой принцип работы и конструктивное исполнение, однако, общим для них является наличие полупроводниковых p-n структур.

Условные графические обозначения (УГО) транзисторов приведены в таблице:

Тип прибора				Условное графическое обозначение (УГО)
Биполярные	Биполярный p-n-p типа
	Биполярный n-p-n типа
Полевые	С управляющим p-n переходом	С каналом p-типа
		С каналом n-типа
	С изолированным затвором МОП транзисторы	С встроенным каналом	Встроенный канал p-типа
			Встроенный канал n-типа
		С индуцированным каналом	Индуцированный канал p-типа
			Индуцированный канал n-типа

Биполярные транзисторы

Определение "биполярный" указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух типов - электроны и дырки.

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным.

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора.

• Э - эмиттер,
• Б - база,
• К - коллектор,
• ЭП - эмиттерный переход,
• КП - коллекторный переход,
• W - толщина базы.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

1. Режим отсечки – оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток
2. Режим насыщения – оба p-n перехода открыты
3. Активный режим – один из p-n переходов открыт, а другой закрыт

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. Эффективное управление транзистором осуществляется только в активном режиме. Этот режим является основным. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.

В нормальном режиме коллекторный p-n переход закрыт, эмиттерный – открыт. Ток коллектора пропорционален току базы.

Движение носителей заряда в транзисторе n-p-n типа показано на рисунке:

При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ . Так как внешнее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы. База выполнена из p-полупроводника, поэтому электроны являются для неё неосновными носителями заряда.

Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы. Однако базу обычно выполняют очень тонкой из p-проводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с её дырками, образуя базовый ток Iб . Большинство же электронов вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую коллекторного тока Iк .

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока

Как следует из качественного рассмотрения процессов, происходящих в биполярном транзисторе, коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов α = 0,9 ÷ 0,95

При Iэ ≠ 0 ток коллектора транзистора равен:

В рассмотренной схеме включения базовый электрод является общим для эмиттерной и коллекторной цепей. Такую схему включения биполярного транзистора называют схемой с общей базой, при этом эмиттерную цепь называют входной, а коллекторную – выходной. Однако такую схему включения биполярного транзистора применяют очень редко.

Три схемы включения биполярного транзистора

Различают схему включения с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором. Схемы для p-n-p транзистора показаны на рисунках а, б, в:

В схеме с общей базой (рис. а) электрод база является общим для входной и выходной цепи, в схеме с общим эмиттером (рис. б) общим является эмиттер, в схеме с общим коллектором (рис. в) общим является коллектор.

На рисунке показаны: Е1 – питание входной цепи, Е2 – питание выходной цепи, Uвх – источник усиливаемого сигнала.

В качестве основной принята схема включения, в которой общим электродом для входной и выходной цепи является эмиттер (схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером). Для такой схемы входной контур проходит через переход база-эмиттер и в нем возникает ток базы:

Малое значение тока базы во входном контуре обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером.

Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером (ОЭ)

В транзисторе, включенном по схеме ОЭ, зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iб = f1 (Uбэ ) называют входной или базовой вольт-амперной характеристикой (ВАХ) транзистора. Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы Iк = f2 (Uкэ ), Iб – const называют семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора.

Входная и выходная ВАХ биполярного транзистора средней мощности типа n-p-n приведены на рисунке:

Как видно из рисунка, входная характеристика практически не зависит от напряжения Uкэ . Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения Uкэ .

Зависимость Iб = f(Uбэ ) представляет собой экспоненциальную зависимость, характерную для тока прямосмещённого p-n перехода. Поскольку ток базы – рекомбинационный, то его Iб величина в β раз меньше, чем инжектированный ток эмиттера Iэ . При росте коллекторного напряжения Uк входная характеристика смещается в область больших напряжений Uб . Это связано с тем, что вследствие модуляции ширины базы (эффект Эрли) уменьшается доля рекомбинационного тока в базе биполярного транзистора. Напряжение Uбэ не превышает 0,6…0,8 В. Превышение этого значения приведет к резкому увеличению тока, протекающего через открытый эмиттерный переход.

Зависимость Iк = f(Uкэ ) показывает, что ток коллектора прямопропорционален току базы: Iк = B · Iб

Параметры биполярного транзистора

Представление транзистора в малосигнальном режиме работы четырехполюсником

В малосигнальном режиме работы транзистор может быть представлен четырехполюсником. Когда напряжения u1 , u2 и токи i1 , i2 изменяются по синусоидальному закону, связь между напряжениями и токами устанавливается при помощи Z, Y, h параметров.

Потенциалы 1", 2", 3 одинаковы. Транзистор удобно описывать, используя h-параметры.

Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырьмя величинами: Iб , Uбэ , Iк и Uкэ . Две из этих величин можно считать независимыми, а две другие могут быть выражены через них. Из практических соображений в качестве независимых удобно выбирать величины Iб и Uкэ . Тогда Uбэ = f1 (Iб , Uкэ ) и Iк = f2 (Iб , Uкэ ).

В усилительных устройствах входными сигналами являются приращения входных напряжений и токов. В пределах линейной части характеристик для приращений Uбэ и Iк справедливы равенства:

Физический смысл параметров:

Для схемы с ОЭ коэффициенты записываются с индексом Э: h11э , h12э , h21э , h22э .

В паспортных данных указывают h21э = β , h21б = α. Эти параметры характеризуют качество транзистора. Для увеличения значения h21 нужно либо уменьшить ширину базы W, либо увеличить диффузионную длину, что достаточно трудно.

Составные транзисторы

Для увеличения значения h21 соединяют биполярные транзисторы по схеме Дарлингтона:

В составном транзисторе, имеющем характеристики, как одного, база VT1 соединена с эмиттером VT2 и ΔIэ2 = ΔIб1 . Коллекторы обоих транзисторов соединены и этот вывод является выводом составного транзистора. База VT2 играет роль базы составного транзистора ΔIб = ΔIб2 , а эмиттер VT1 – роль эмиттера составного транзистора ΔIэ = ΔI1 .

Получим выражение для коэффициента усиления по току β для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базы dIб и вызванным вследствие этого изменением тока коллектора dIк составного транзистора следующим образом:

Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно составляет несколько десятков (β1 , β2 >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов βΣ = β1 · β2 и может быть достаточно большим по величине.

Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток VT2 Iэ2 является базовым током VT1 dIб1 , то, следовательно, транзистор VT2 должен работать в микромощном режиме, а транзистор VT1 – в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторов VT1 и VT2 не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления β1 , β2 ≈ 30 суммарный коэффициент усиления βΣ составит βΣ ≈ 1000.

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статистическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1 , VT2 в отдельности.

Частотные свойства биполярных транзисторов

Процесс распространения инжектированных в базу неосновных носителей заряда от эмиттерного до коллекторного перехода идет диффузионным путем. Этот процесс достаточно медленный, и инжектированные из эмиттера носители достигнут коллектора не ранее чем за время диффузии носителей через базу. Такое запаздывание приведет к сдвигу фаз между током Iэ и током Iк . При низких частотах фазы токов Iэ , Iк и Iб совпадают.

Частота входного сигнала, при которой модуль коэффициента усиления уменьшается в раз по сравнению со статическим значением β0 , называется предельной частотой усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Fβ – предельная частота (частота среза)
fгр – граничная частота (частота единичного усиления)

Полевые транзисторы

Полевые, или униполярные, транзисторы в качестве основного физического принципа используют эффект поля. В отличие от биполярных транзисторов, у которых оба типа носителей, как основные, так и неосновные, являются ответственными за транзисторный эффект, в полевых транзисторах для реализации транзисторного эффекта применяется только один тип носителей. По этой причине полевые транзисторы называют униполярными. В зависимости от условий реализации эффекта поля полевые транзисторы делятся на два класса: полевые транзисторы с изолированным затвором и полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Схематически полевой транзистор с управляющим p-n переходом можно представить в виде пластины, к торцам которой подключены электроды, исток и сток. На рис. показана структура и схема включения полевого транзистора с каналом n-типа:

В транзисторе с n-каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока Ic . Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p-n переход, образованный n-областью канала и p-областью затвора.

При подаче запирающего напряжения на p-n-переход Uзи на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала.

Изменяя величину этого напряжения, можно изменить сечение канала и, следовательно, изменять величину электрического сопротивления канала. Для полевого n-канального транзистора потенциал стока положителен по отношению к потенциалу истока. При заземленном затворе от стока к истоку протекает ток. Поэтому для прекращения тока на затвор нужно подать обратное напряжение в несколько вольт.

Значение напряжения Uзи , при котором ток через канал становится практически равен нулю, называется напряжением отсечки Uзап

Таким образом, полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода представляет собой сопротивление, величина которого регулируется внешним напряжением.

Полевой транзистор характеризуется следующей ВАХ:

Здесь зависимости тока стока Iс от напряжения при постоянном напряжении на затворе Uзи определяют выходные, или стоковые, характеристики полевого транзистора. На начальном участке характеристик Uси + |Uзи | < Uзап ток стока Iс возрастает с увеличением Uси . При повышении напряжения сток - исток до Uси = Uзап - |Uзи | происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения Uси и тока стока Iс . Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою р-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя.

На ВАХ Iс = f(Uзи ) показано напряжение Uзап . Так как Uзи ≤ 0 p-n-переход закрыт и ток затвора очень мал, порядка 10-8 …10-9 А , поэтому к основным преимуществам полевого транзистора, по сравнению с биполярным, относится высокое входное сопротивление, порядка 1010 …1013 Ом . Кроме того, они отличаются малыми шумами и технологичностью изготовления.

Практическое применение имеют две основные схемы включения. Схема с общим истоком (рис. а) и схема с общим стоком (рис. б) , которые показаны на рисунке:

Полевые транзисторы с изолированным затвором
(МДП-транзисторы)

Термин "МДП-транзистор" используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод – затвор – отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл-диэлектрик-полупроводник (М-Д-П).

Технология МДП-транзистора с встроенным затвором приведена на рисунке:

Исходный полупроводник, на котором изготовлен МДП-транзистор, называется подложкой (вывод П). Две сильнолегированные области n+ называется истоком (И) и стоком (С). Область подложки под затвором (З) называется встроенным каналом (n-канал).

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод-затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть два состояния области пространственного заряда (ОПЗ) в канале – обогащение, обеднение.

Режиму обеднения соответствует отрицательное напряжение Uзи , при котором концентрация электронов в канале уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. Режиму обогащения соответствует положительное напряжение Uзи и увеличение тока стока.

ВАХ представлена на рисунке:

Топология МДП-транзистора с индуцированным (наведенным) каналом р-типа приведена на рисунке:

При Uзи = 0 канал отсутствует и Ic = 0. Транзистор может работать только в режиме обогащения Uзи < 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое Uзи.пор , то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе Uзи в области выше порогового Uзи.пор , можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи Uси вызовет ток стока Iс .

ВАХ представлена на рисунке:

В МДП-транзисторах затвор отделен от полупроводника слоем окисла SiO2 . Поэтому входное сопротивление таких транзисторов порядка 1013 …1015 Ом.

К основным параметрам полевых транзисторов относятся:

• Крутизна характеристики при Uсп = const, Uпи = const. Типичные значения параметра (0,1...500) мА/В;
• Крутизна характеристики по подложке при Uсп = const, Uзи = const. Типичные значения параметра (0.1...1) мА/В;
• Начальный ток стока Iс.нач. – ток стока при нулевом значении напряжения Uзи . Типичные значения параметра: (0,2...600) мА – для транзисторов с управляющим каналом p-n переходом; (0,1...100) мА – для транзисторов со встроенным каналом; (0,01...0,5) мкА – для транзисторов с индуцированным каналом;
• Напряжение отсечки Uзи.отс. . Типичные значения (0,2...10) В; пороговое напряжение Uп . Типичные значения (1...6) В;
• Сопротивление сток-исток в открытом состоянии. Типичные значения (2..300) Ом
• Дифференциальное сопротивление (внутреннее): при Uзи = const;
• Статистический коэффициент усиления: μ = S · ri

Тиристоры

Тиристор является полупроводниковым прибором с тремя и более электронно-дырочными p-n-переходами. Они, в основном, применяются в качестве электронных ключей. В зависимости от числа внешних выводов они подразделяются на тиристоры с двумя внешними выводами – динисторы и тиристоры с тремя выводами – тринисторы. Для обозначения тиристоров принят буквенный символ VS.

Устройство и принцип работы динистора

Структура, УГО и ВАХ динистора приведены на рисунке:



Внешняя p-область называется анодом (А), внешняя n-область называется катодом (К). Три p-n перехода обозначены цифрами 1, 2, 3. Структура динистора 4-х-слойная – p-n-p-n.

Питающие напряжение Е подаётся на динистор таким образом, что 1 из 3 переходы открыты и их сопротивления незначительны, а переход 2 закрыт и все питающие напряжение Uпр приложено к нему. Через динистор протекает небольшой обратный ток, нагрузка R отключена от источника тока питания Е.

При достижении критического напряжения, равному напряжению включения Uвкл переход 2 открывается, при этом все три перехода 1, 2, 3 будут находится в открытом (включенном) состоянии. Сопротивления динистора падает до десятых долей Ома.

Напряжение включения составляет величину нескольких сотен вольт. Динистор открывается, и через него протекают значительные по величине токи. Падение напряжения на динисторе в открытом состояние составляет 1-2 вольта и мало зависит от величины протекающего тока, величина которого равна τa ≈ E / R, а UR ≈ E, т.е. нагрузка подключена к источнику питания Е. Напряжение на динисторе, соответствующее предельно допустимую точку Iоткр.max , называется напряжением открытого состояния Uокр . Предельный допустимый ток составляет величины от сотен мА до сотен А. Динистор находится в открытом состоянии, пока протекающий через него ток не станет меньше тока удержания Iуд . Динистор закрывается при уменьшении внешнего напряжения до величины порядка 1В или при перемене полярности внешнего источника. Поэтому такой прибор используется в цепях переходного тока. Точки В и Г соответствуют граничным значениям токов и напряжений динистора. Время восстановления сопротивления перехода 2 после снятия питающего напряжения составляет порядка 10-30 мкс.

Динисторы по своему принципу – приборы ключевого действия. Во включенном состоянии (участок БВ) он подобен замкнутому ключу, а в выключенном (участок ОГ) - разомкнутому ключу.

Устройство и принцип работы тиристора (тринистора)

Тринистор является управляемым прибором. Он содержит управляющий электрод (УЭ), подключаемый к полупроводнику р-типа или полупроводнику n-типа среднего перехода 2.

Структура, УГО и ВАХ тринистора (обычно называют тиристором) приведены на рисунке:



Напряжение Uвыкл , при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу 2. В какой мере снижается Uвкл показано на ВАХ. Важным параметром является отпирающий ток управления Iу.от , который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние при напряжениях, меньших напряжения Uвкл . На рисунке показаны три значения напряжение включения UI вкл < Un вкл < Um вкл соответствует трем значениям управляющего тока UI у.от > Un у.от > Um у.от .

Рассмотрим простейшую схему с тиристором, нагруженным на резисторную нагрузку Rн






• Iа – ток анода (силовой ток в цепи анод-катод тиристора);
• Uак – напряжение между анодом и катодом;
• Iу – ток управляющего электрода (в реальных схемах используют импульсы тока);
• Uук – напряжение между управляющим электродом и катодом;
• Uпит – напряжение питания.

Для перевода тиристора в открытое состояние не управляющий электрод подается от схемы формирования импульсов кратковременный (порядка нескольких микросекунд) управляющий импульс.

Характерной особенностью рассматриваемого незапираемого тиристора, который очень широко используется на практике, является то, что его нельзя выключить с помощью тока управления.

Для выключения тиристора на практике на него подают обратное напряжение Uак < 0 и поддерживают это напряжение в течении времени, большего так называемого времени выключения tвыкл . Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд.

Устройство и принцип работы симистора

Широко используется так называемые симметричные тиристоры (симисторы, триаки). Каждый симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, включенных встречно-параллельно. Симметричные тринисторы являются управляемым прибором с симметричной вольт-амперной характеристикой. Для получения симметричной характеристики используются двухсторонние полупроводниковые структуры типа p-n-p-n-p.

Структура симистора, его УГО и ВАХ приведены на рисунке:



Симистор (триак) содержит два тиристора p1-n1-p2-n2 и p2-n2-p1-n4, включенных встречно-параллельно. Симистор содержит 5 переходов П1-П2-П3-П4-П5. При отсутствии управляющего электрона УЭ симистор называется диаком.

При положительной полярности на электроде Э1 осуществляется тиристорный эффект в p1-n1-p2-n2, а при противоположной полярности в p2-n1-p1-n4.

При подачи управляющего напряжения на УЭ в зависимости от его полярности и величины изменяется напряжение переключателя Uвкл

Тиристоры (динисторы, тринисторы, симисторы) являются основными элементами в силовых устройствах электроники. Существует тиристоры, для которых напряжение переключения больше, чем 1 кВ, а максимально допустимый ток больше, чем 1 кА

Электронные ключи

Для повышения коэффициента полезного действия устройств силовой электроники широко используется импульсный режим работы диодов, транзисторов и тиристоров. Импульсный режим характерен резкими изменениями токов и напряжений. В импульсном режиме диоды, транзисторы и тиристоры используются как ключи.

При помощи электронных ключей выполняется коммутация электронных схем: подключение/отключение схемы к/от источникам(-ов) электрической энергии или сигнала, подключение или отключение элементов схем, изменение параметров элементов схем, изменение вида воздействующего источника сигнала.

УГО идеальных ключей показаны на рисунке:

Ключи, работающие на замыкание и размыкание соответственно.




Ключевой режим характеризуется двумя состояниями: "включено"/"выключено".

Идеальные ключи характеризуются мгновенным изменением сопротивления, которое может принимать значение 0 или ∞. Падение напряжения на идеальном замкнутом ключе равно 0. При разомкнутом ключе ток равен 0.

Реальные ключи также характеризуются двумя крайними значениями сопротивления Rmax и Rmin . Переход от одного значения сопротивления к другому в реальных ключах происходит за конечное время. Падение напряжения на реальном замкнутом ключе не равно нулю.

Ключи подразделяются на ключи, используемые в маломощных схемах, и ключи, используемые в силовых схемах. Каждый из этих классов имеет свои характеристики.

Ключи, используемые в маломощных схемах, характеризуются:

1. Сопротивлениями ключа в открытом и закрытом состояниях;
2. Быстродействием – временем перехода ключа из одного состояния в другое;
3. Падением напряжения на замкнутом ключе и током утечки разомкнутого ключа;
4. Помехоустойчивостью – способностью ключа оставаться в одном из состояний при воздействии помех;
5. Чувствительностью ключа – величиной управляющего сигнала, переводящего ключ из одного состояния в другое;
6. Пороговым напряжением – значением управляющего напряжения, в окрестности которого происходит резкое изменение сопротивления электронного ключа.

Диодные электронные ключи

Простейший тип электронных ключей – диодные ключи. Схема диодного ключа, статическая передаточная характеристика, ВАХ и зависимость дифференциального сопротивления от напряжения на диоде показаны на рисунке:

Принцип работы диодного электронного ключа основан на изменении величины дифференциального сопротивления полупроводникового диода в окрестностях порогового значения напряжения на диоде Uпор . На рисунке "в" показана вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, на которой показано значение Uпор . Это значение находится на пересечении оси напряжений с касательной, проведенной к восходящему участнику вольт-амперной характеристики.

На рисунке "г" показана зависимость дифференциального сопротивления от напряжения на диоде. Из рисунка следует, что в окрестности порогового напряжения 0,3 В происходит резкое изменение дифференциального сопротивления диода с крайними значениями 900 и 35 Ом (Rmin = 35 Ом, Rmax = 900 Ом).

В состоянии "включено" диод открыт и , Uвых ≈ Uвх .

В состоянии "выключено" диод закрыт и , Uвых ≈ Uвх · Rн / Rmax <

С целью уменьшения времени переключения используемые диоды с малой емкостью перехода порядка 0,5-2 пФ, при этом обеспечивается время выключения порядка 0,5-0,05 мкс.

Диодные ключи не позволяют электрически разделить управляющею и управляемую цепи, что часто требуется в практических схемах.

Транзисторные ключи

В основе большинства схем, используемых в вычислительных машинах, устройствах телеуправления, системах автоматического управления и т.п., лежат транзисторные ключи.

Схемах ключа на биполярном транзисторе и ВАХ показаны на рисунке:

Первое состояние «выключено» (транзистор закрыт) определяется точкой А1 на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсечки. В режиме отсечки ток базы Iб = 0, коллекторный ток Iк1 равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение Uк = Uк1 ≈ Ек . Режим отсечки реализуется при Uвх = 0 или при отрицательных потенциалах базы. В этом состоянии сопротивление ключа достигает максимального значения: Rmax = , где RT - сопротивление транзистора в закрытом состоянии, более 1 МОм.

Второе состояние «включено» (транзистор открыт) определяется точкой А2 на ВАХ и называется режимом насыщения. Из режима отсечки (А1) в режиме насыщения (А2) транзистор переводится положительным входным напряжением Uвх . При этом напряжение Uвых принимает минимальное значение Uк2 = Uк.э.нас порядка 0,2-1,0 B, ток коллектора Iк2 = Iк.нас ≈ Ек /Rк . Ток базы в режиме насыщения определяется из условия: Iб > Iб.нас = Iк.нас / h21 .

Входное напряжение, необходимое для перевода транзистора в открытое состояние, определяется из условия: Uвх > Iб.нас · Rб + Uк.э.нас

Хорошая помехозащищенность и малая мощность, рассеиваемая в транзисторе, объясняется тем, что транзистор большую часть времени либо насыщен (А2), либо закрыт (А1), а время перехода из одного состояния в другое составляет малую часть от длительности этих состояний. Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями р-n-переходов и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе.

Для повышения быстродействия и входного сопротивления применяются ключи на полевых транзисторах.

Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:

Для любого ключа на полевом транзисторе Rн > 10-100 кОм.

Управляющий сигнал Uвх на затворе порядка 10-15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 108 -109 Ом.

Сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии может составлять 7-30 Ом. Сопротивление полевого транзистора по цепи управления может составлять 108 -109 Ом. (схемы "а" и "б") и 1012 -1014 Ом (схемы "в" и "г").

Силовые (мощные) полупроводниковые приборы

Мощные полупроводниковые приборы находят применение в энергетической электронике, наиболее интенсивно развивающейся и перспективной области техники. Они предназначены для управления токами в десятки, сотни ампер, напряжениями в десятки, сотни вольт.

К мощным полупроводниковым приборам относятся тиристоры (динисторы, тринисторы, симисторы), транзисторы (биполярные и полевые) и биполярные статически индуцированные транзисторы (IGBT). Они используются в качестве электронных ключей, выполняющих коммутацию электронных схем. Их характеристики стараются приблизить к характеристикам идеальных ключей.

По принципу действия, характеристикам и параметрам мощные транзисторы подобны маломощным, однако имеются определенные особенности.

Силовые полевые транзисторы

В настоящее время полевой транзистор является одним из наиболее перспективных силовых приборов. Наиболее широко используются транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Для уменьшения сопротивления канала уменьшают его длину. Для увеличения тока стока в транзисторе выполняют сотни и тысячи каналов, причем каналы соединяют параллельно. Вероятность саморазогрева полевого транзистора мала, т.к. сопротивление канала увеличивается при увеличении температуры.

Силовые полевые транзисторы имеют вертикальную структуру. Каналы могут располагаться как вертикально, так и горизонтально.

ДМДП-транзистор

Этот транзистор МДП-типа, изготовленный методом двойной диффузии, имеет горизонтальный канал. На рисунке показан элемент структуры, содержащий канал.

VМДП-транзистор

Этот V-образный МДП-транзистор имеет вертикальный канал. На рисунке показан один элемент структуры, содержащий два канала.

Легко заметить, что структуры VМДП-транзистора и ДМДП-транзистора подобны.

IGBT-транзистор

IGBT – гибридный полупроводниковый прибор. В нем совмещены два способа управления электрическим током, один из которых характерен для полевых транзисторов (управление электрическим полем), а второй – для биполярных (управление инжекцией носителей электричества).

Обычно в IGBT используется структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа. Структура этого транзистора отличается от структуры ДМДП-транзистора дополнительным слоем полупроводника р-типа.

Обратим внимание на то, что для обозначения электродов IGBT принято использовать термины "эмиттер", "коллектор" и "затвор".

Добавления слоя р-типа приводит к образованию второй структуры биполярного транзистора (типа p-n-p). Таким образом, в IGBT имеется две биполярные структуры – типа n-p-n и типа p-n-p.

УГО и схема выключения IGBT показаны на рисунке:

Типичный вид выходных характеристик показаны на рисунке:

SIT-транзистор

SIT – полевой транзистор с управляющим p-n переходом со статической индукцией. Является многоканальным и имеет вертикальную структуру. Схематическое изображение SIT и схема включения с общим истоком показаны на рисунке:

Области полупроводника р-типа имеют форму цилиндров, диаметр которых составляет единицы микрометров и более. Эта система цилиндров играет роль затвора. Каждый цилиндр подсоединен к электроду затвора (на рисунке "а" электрод затвора условно не показан).

Пунктиром обозначены области p-n-переходов. Реальное число каналов может составлять тысячи. Обычно SIT используется в схемах с общим истоком.

Каждый из рассмотренных приборов имеет свою область применения. Ключи на тиристорах применяются в устройствах, работающих на низких частотах (килогерцы и ниже). Основным недостатком таких ключей являются низкое быстродействие.

Основной областью применения тиристоров являются низкочастотные устройства с большой коммутируемой мощностью вплоть до нескольких мегаватт, не предъявляющих серьезных требований к быстродействию.

Мощные биполярные транзисторы применяются в качестве высоковольтных ключей в устройствах с частотой коммутации или преобразования, находящейся в диапазоне 10-100 кГц, при уровне выходной мощности от единиц Вт до нескольких кВт. Оптимальный диапазон коммутируемых напряжений 200-2000 В.

Полевые транзисторы (MOSFET) применяются в качестве электронных ключей для коммутации низковольтных высокочастотных устройств. Оптимальные значения коммутируемых напряжений не превышают 200 В (максимальное значение до 1000 В), при этом частота коммутации может находится в пределах от единиц кГц до 105 кГц. Диапазон коммутируемых токов составляет 1,5-100 А. Положительным свойствами этого прибора является управляемость напряжением, а не током, и меньшая зависимость от температуры по сравнению с другими приборами.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) применяются на частотах менее 20 кГц (некоторые типы приборов применяются на частотах более 100 кГц) при коммутируемых мощностях выше 1 кВт. Коммутируемые напряжения не ниже 300-400 В.Оптимальные значения коммутируемых напряжений свыше 2000 В. IGBT и MOSFET требуют для полного включения напряжения не выше 12-15 В, для закрытия приборов не требуется подавать отрицательное напряжение. Они характеризуются высокими скоростями переключения.

В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств. Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии. Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

1. Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Выводы база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов. Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок, ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

В этом цикле статей мы попытаемся просто и доходчиво рассказать о таких непростых компонентах, как транзисторы.

Сегодня этот полупроводниковый элемент встречается почти на всех печатных платах, в любом электронном устройстве (в сотовых телефонах, в радиоприёмниках, в компьютерах и другой электронике). Транзисторы являются основой для построения микросхем логики, памяти, микропроцессоров… Вот давайте и разберёмся, что это чудо из себя представляет, как работает и чем вызвана такая широта его применения.

Транзистор — это электронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий с помощью входного сигнала управлять током.

Многие считают, что транзистор усиливает входной сигнал. Спешу огорчить, — сами по себе, без внешнего источника питания, транзисторы ничего не усилят (закон сохранения энергии ещё никто не отменял). На транзисторе можно построить усилитель, но это лишь одно из его применений, и то, для получения усиленного сигнала нужна специальная схема, которая проектируется и рассчитывается под определённые условия, плюс обязательно источник питания.

Сам по себе транзистор может только управлять током.

Что нужно знать из самого важного? Транзисторы делятся на 2 большие группы: биполярные и полевые. Эти 2 группы отличаются по структуре и принципу действия, поэтому про каждую из этих групп мы поговорим отдельно.

Итак, первая группа — биполярные транзисторы .

Эти транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводника и делятся по структуре на 2 типа: pnp и npn . Первый тип (pnp) иногда называют транзисторами прямой проводимости, а второй тип (npn) — транзисторами обратной проводимости.

Что означают эти буквы? Чем отличаются эти транзисторы? И почему именно двух проводимостей? Как обычно — истина где-то рядом. Всё гениальное — просто. N — negative (англ.) — отрицательный. P — positive (англ.) — положительный. Это обозначение типов проводимостей полупроводниковых слоёв из которых транзистор состоит. «Положительный» — слой полупроводника с «дырочной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют положительный знак), «отрицательный» — слой полупроводника с «электронной» проводимостью (в нём основные носители заряда имеют
отрицательный знак).

Структура и обозначение биполярных транзисторов на схемах показаны на рисунке справа. У каждого вывода имеется своё название. Э — эмиттер, К — коллектор, Б — база. Как на схеме узнать базовый вывод? Легко. Он обозначается площадкой, в которую упираются коллектор и эмиттер. А как узнать эмиттер? Тоже легко, — это вывод со стрелочкой. Оставшийся вывод — это коллектор. Стрелочка на эмиттере всегда показывает направление тока. Соответственно, для npn транзисторов — ток втекает через коллектор и базу, а вытекает из эмиттера, для pnp транзисторов наоборот, — ток втекает через эмиттер, а вытекает через коллектор и базу.

Тонем в теории глубже… Три слоя полупроводника образуют в транзисторе два pn-перехода. Один — между эмиттером и базой, его обычно называют эмиттерный, второй — между коллектором и базой, его обычно называют коллекторный.

На каждом из двух pn-переходов может быть прямое или обратное смещение, поэтому в работе транзистора выделяют четыре основных режима, в зависимости от смещения pn-переходов (помним да, что если на стороне с проводимостью p-типа напряжение больше, чем на стороне с проводимостью n-типа, то это прямое смещение pn-перехода, если всё наоборот, то обратное). Ниже, на рисунках, иллюстрирующих каждый режим, стрелочками показано направление от большего напряжения к меньшему (это не направление тока!). Так легче ориентироваться: если стрелочка направлена от «p» к «n» — это прямое смещение pn-перехода, если от «n» к «p» — это обратное смещение.

Режимы работы биполярного транзистора :

1) Если на эмиттерном pn-переходе прямое смещение, а на коллекторном — обратное, то транзистор находится в нормальном активном режиме (иногда говорят просто: «активный режим», — опуская слово нормальный). В этом режиме ток коллектора зависит от тока базы и связан с ним следующим соотношением: Iк=Iб*β. Активный режим используется при построении транзисторных усилителей.

2) Если на обоих переходах прямое смещение — транзистор находится в режиме насыщения . При этом ток коллектора перестаёт зависеть от тока базы в соответствии с указанной выше формулой (в которой был коэффициент β), он перестаёт увеличиваться, даже если продолжать увеличивать ток базы. В этом случае говорят, что транзистор полностью открыт или просто открыт. Чем глубже мы уходим в область насыщения — тем больше ломается зависимость Iк=Iб*β. Внешне это выглядит так, как будто коэффициент β уменьшается. Ещё скажу, что есть такое понятие, как коэффициент насыщения. Он определяется как отношение реального тока базы (того, который у вас есть в данный момент) к току базы в пограничном состоянии между активным режимом и насыщением.

3) Если у нас на обоих переходах обратное смещение — транзистор находится в режиме отсечки . При этом ток через него не течёт (за исключением очень маленьких токов утечки — обратных токов через pn-переходы). В этом случае говорят, что транзистор полностью закрыт или просто закрыт. Режимы насыщения и отсечки используются при построении транзисторных ключей.

4) Если на эмиттерном переходе обратное смещение, а на коллекторном — прямое, то транзистор попадает в инверсный активный режим . Этот режим является довольно экзотическим и используется редко. Несмотря на то, что на наших рисунках эмиттер не отличается от коллектора и по сути они должны быть равнозначны (посмотрите ещё раз на самый верхний рисунок, — на первый взгляд ничего не изменится, если поменять местами коллектор и эмиттер), на самом деле у них есть конструктивные отличия (например в размерах) и равнозначными они не являются. Именно из-за этой неравнозначности и существует разделение на «нормальный активный режим» и «инверсный активный режим».

Иногда ещё выделяют пятый, так называемый, «барьерный режим». В этом случае база транзистора закорочена с коллектором. По сути правильнее было бы говорить не о каком-то особом режиме, а об особом способе включения. Режим тут вполне обычный — близкий к пограничному состоянию между активным режимом и насыщением. Его можно получить и не только закорачивая базу с коллектором. В данном конкретном случае вся фишка в том, что при таком способе включения, как бы мы не меняли напряжение питания или нагрузку — транзистор всё равно останется в этом самом пограничном режиме. То есть транзистор в этом случае будет эквивалентен диоду.

Биполярный транзистор управляется током. То есть, для того, чтобы между коллектором и эмиттером мог протекать ток (по другому говоря, чтобы транзистор открылся), — должен протекать ток между эмиттером и базой (или между коллектором и базой — для инверсного режима). Более того, величина тока базы и максимально возможного тока через коллектор (при таком токе базы) связаны постоянным коэффициентом β (коэффициент передачи тока базы): I Б *β=I K .

Кроме параметра β используется ещё один коэффициент: коэффициент передачи эмиттерного тока (α). Он равен отношению тока коллектора к току эмиттера: α=Iк/Iэ. Значение этого коэффициента обычно близко к единице (чем ближе к единице — тем лучше). Коэффициенты α и β связаны между собой следующим соотношением: β=α/(1-α).

В отечественных справочниках часто вместо коэффициента β указывают коэффициент h 21Э (коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером), в забугорной литературе иногда вместо β можно встретить h FE . Ничего страшного, обычно можно считать, что все эти коэффициенты равны, а называют их зачастую просто «коэффициент усиления транзистора».

Что нам это даёт и зачем нам это надо? На рисунке слева изображены простейшие схемы. Они эквивалентны, но построены с участием транзисторов разных проводимостей. Также присутствуют: нагрузка, в виде лампочки накаливания, переменный резистор и постоянный резистор.

Смотрим на левую схему. Что там происходит? Представим себе, что ползунок переменного резистора в верхнем положении. При этом на базе транзистора напряжение равно напряжению на эмиттере, ток базы равен нулю, следовательно ток коллектора тоже равен нулю (I К =β*I Б) — транзистор закрыт, лампа не светится. Начинаем опускать ползунок вниз
— напряжение на нём начинает опускаться ниже, чем на эмиттере — появляется ток из эмиттера в базу (ток базы) и одновременно с этим — ток из эмиттера в коллектор (транзистор начнёт открываться). Лампа начинает светиться, но не в полный накал. Чем ниже мы будем перемещать ползунок переменного резистора — тем ярче будет гореть лампа.

И тут, внимание! Если мы начнём перемещать ползунок переменного резистора вверх — то транзистор начнёт закрываться, а токи из эмиттера в базу и из эмиттера в коллектор — начнут уменьшаться. На правой схеме всё то же самое, только с транзистором другой проводимости.

Рассмотренный режим работы транзистора как раз является активным. В чём суть? Ток управляет током? Именно, но фишка в том, что коэффициент β может измеряться десятками и
даже сотнями. То есть для того, чтобы сильно менять ток, протекающий из эмиттера в коллектор, нам достаточно лишь чуть-чуть изменять ток, протекающий из эмиттера в базу.

В активном режиме транзистор (с соответствующей обвязкой) используется в качестве усилителя.

Мы устали… отдохнём немного…

И снова вперёд!

Теперь разберёмся с работой транзистора в качестве ключа. Смотрим на левую схему. Пусть переключатель S будет замкнут в положении 1. При этом база транзистора через резистор R притянута к плюсу питания, поэтому ток между эмиттером и базой отсутствует и транзистор закрыт. Представим, что мы перевели переключатель S в положение 2. Напряжение на базе становится меньше, чем на эмиттере, — появляется ток между эмиттером и базой (его величина определяется сопротивлением R). Сразу возникает ток КЭ. Транзистор открывается, лампа загорается. Если мы снова вернём переключатель S в положение 1 — транзистор закроется, лампа погаснет. (на правой схеме всё то же самое, только транзистор другой проводимости)

В этом случае говорят, что транзистор работает в качестве ключа. В чём суть? Транзистор переключается между двумя состояниями — открытым и закрытым. Обычно при использовании транзистора в качестве ключа — стараются, чтобы в открытом состоянии транзистор был близок к насыщению (при этом падение напряжения между коллектором и эмиттером, а значит и потери на транзисторе, — минимальны).Для этого специальным образом рассчитывают ограничительный резистор в цепи базы. Состояний глубокого насыщения и глубокой отсечки обычно стараются избежать, потому что в этом случае увеличивается время переключения ключа из одного состояния в другое.

Небольшой пример расчётов. Представим себе, что мы управляем лампой накаливания 12В, 50мА через транзистор. Транзистор у нас работает в качестве ключа, поэтому в открытом состоянии должен быть близок к насыщению. Падение напряжения между коллектором и эмиттером учитывать не будем, поскольку для режима насыщения оно на порядок меньше напряжения питания. Так как через лампу течёт ток 50 мА, то нам нужно выбрать транзистор с максимальным током КЭ не менее 62,5 мА (обычно рекомендуют использовать компоненты на 75% от их максимальных параметров, это такой своеобразный запас). Открываем справочник и ищем подходящий p-n-p транзистор. Например КТ361. В нашем случае по току подходят с буквенными индексами «а, б, в, г», так как максимальное напряжение КЭ у них 20В, а у нас в задаче всего 12В.

Предположим, что использовать будем КТ361А, с коэффициентом усиления от 20 до 90. Так как нам нужно, чтобы транзистор гарантированно открылся полностью, — в расчёте будем использовать минимальный Кус=20. Теперь думаем. Какой минимальный ток должен течь между эмиттером и базой, чтобы через КЭ обеспечить ток 50 мА?

50 мА/ 20 раз = 2,5 мА

Токоограничивающий резистор какого номинала нужно поставить, чтобы пустить через БЭ ток 2,5 мА?

Тут всё просто. Закон Ома: I=U/R. Следовательно R=(12 В питания — 0,65 В потери на pn-переходе БЭ) / 0,0025 А = 4540 Ом. Так как 2,5 мА — это минимальный ток, который в нашем случае должен протекать из эмиттера в базу, то нужно выбрать из стандартного ряда ближайший резистор меньшего сопротивления. Например, с 5% отклонением это будет резистор 4,3 кОм.

Теперь о токе. Для зажигания лампы с номинальным током 50 мА нам нужно коммутировать ток всего 2,5 мА. И это при использовании ширпотребовского, копеечного транзистора, с низким Кус, разработанного 40 лет назад. Чувствуете разницу? Насколько можно уменьшить габариты выключателей (а значит и их стоимость) при использовании транзисторов.

Вернёмся опять к теории.

В рассмотренных выше примерах мы использовали только одну из схем включения транзистора. Всего же, в зависимости от того, куда мы подаём управляющий сигнал и откуда снимаем выходной сигнал (от того, какой электрод для этих сигналов является общим) выделяют 3 основных схемы включения биполярных транзисторов (ну, логично, да? — у транзистора 3 вывода, значит если делить схемы по принципу, что один из выводов общий, то всего может быть 3 схемы):

1) Схема с общим эмиттером .

Если считать, что входной ток — это ток базы, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора и выходное напряжение — это напряжение между коллектором и эмиттером, то можно записать, что: Iвых/Iвх=Iк/Iб=β , Rвх=Uбэ/Iб.

Кроме того, так как Uвых=Eпит-Iк*R, то видно, что, во-первых, выходное напряжение легко можно сделать гораздо выше входного, а во-вторых, что выходное напряжение инвертировано по отношению ко входному (когда Uбэ=Uвх увеличивается и входной ток растёт — выходной ток также растёт, но Uкэ=Uвых при этом уменьшается).

Такая схема включения (для краткости её обозначают ОЭ) является наиболее распространённой, поскольку позволяет усилить как ток, так и напряжение, то есть позволяет получить максимальное усиление мощности. Замечу, что эта дополнительная мощность у усиленного сигнала берётся не из воздуха и не от самого транзистора, а от источника питания (Eпит), без которого транзистор ничего не сможет усилить и вообще никакого тока в выходной цепи не будет. (Я думаю, — мы позже, в отдельной статье, про то, как именно работают транзисторные усилители и как их рассчитывать, подробнее напишем).

2) Схема с общей базой .

Здесь входной ток — это ток эмиттера, входное напряжение — это напряжение на переходе БЭ, выходной ток — ток коллектора, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь коллектора нагрузке. Для этой схемы: Iвых≈Iвх, т.к. Iк≈Iэ, Rвх=Uбэ/Iэ.

Такая схема (ОБ) усиливает только напряжение и не усиливает ток. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается.

3) Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Здесь входной ток — это ток базы, а входное напряжение подключено к переходу БЭ транзистора и нагрузке, выходной ток — ток эмиттера, а выходное напряжение — это напряжение на включенной в цепь эмиттера нагрузке. Для этой схемы: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=(I К +I Б)/I Б =β+1, т.к. обычно коэффициент β достаточно большой, то иногда считают Iвых/Iвх≈β. Rвх=Uбэ/Iб+R. Uвых/Uвх=(Uбэ+Uвых)/Uвых≈1.

Как видим, такая схема (ОК) усиливает ток и не усиливает напряжение. Сигнал в данном случае по фазе не сдвигается. Кроме того, данная схема имеет самое большое входное сопротивление.

Оранжевыми стрелками на приведённых выше схемах показаны контура протекания токов, создаваемых источником питания выходной цепи (Епит) и самим входным сигналом (Uвх). Как видите, в схеме с ОБ ток, создаваемый Eпит, протекает не только через транзистор, но и через источник усиливаемого сигнала, а в схеме с ОК, наоборот, — ток, создаваемый входным сигналом, протекает не только через транзистор, но и через нагрузку (по этим приметам можно легко отличить одну схему включения от другой).

Ну и на последок поговорим о том, как проверить биполярный транзистор на исправность. В большинстве случаев о исправности транзистора можно судить по состоянию pn-переходов. Если рассматривать эти pn-переходы независимо друг от друга, то транзистор можно представить как совокупность двух диодов (как на рисунке слева). В общем-то взаимное влияние pn-переходов и делает транзистор транзистором, но при проверке можно с этим взаимным влиянием не считаться, поскольку напряжение к выводам транзистора мы прикладываем попарно (к двум выводам из трёх). Соответственно, проверить эти pn-переходы можно обычным мультиметром в режиме проверки диодов. При подключении красного щупа (+) к катоду диода, а чёрного к аноду — pn-переход будет закрыт (мультиметр показывает бесконечно большое сопротивление), если поменять щупы местами — pn-переход будет открыт (мультиметр показывает падение напряжения на открытом pn-переходе, обычно 0,6-0,8 В). При подключении щупов между коллектором и эмиттером мультиметр будет показывать бесконечно большое сопротивление, независимо от того какой щуп подключен к коллектору, а какой к эмиттеру.

Продолжение следует…

Электроды обычного биполярного транзистора называются базой, эмиттером и коллектором. Коллектор и эмиттер составляют основную цепь электрического тока в транзисторе, а база предназначается для управления величиной тока в этой цепи.

На условном обозначении транзистора стрелка эмиттерного вывода показывает направление тока.

Как работает транзистор

Базовая цепь транзистора управляет током, протекающим в цепи коллектор-эмиттер. Изменяя в небольших пределах малое напряжение, поданное на базу, можно в достаточно широких пределах изменять ток в цепи коллектор-эмиттер.

Соберем схему, которая наглядно демонстрирует работу транзистора и принцип его включения. Нам понадобится транзистор с NPN структурой, например 2N3094, переменный или подстроечный резистор , резистор с постоянным сопротивлением и лампочка для карманного фонарика. Номиналы электронных приборов указаны на схеме.

Изменяя сопротивление переменного резистора R1, будем наблюдать как изменяется яркость свечения лампочки H1.

Постоянный резистор R2 в этой схеме играет роль ограничителя, предохраняя базу транзистора от слишком большого тока, который может быть подан на нее, в тот момент, когда сопротивление переменного резистора будет стремиться к нулю. Ограничительный резистор предотвращает выход транзистора из строя.

Теперь попробуем заменить лампу маломощным электродвигателем. Вращая ось переменного резистора, мы может наблюдать плавное изменение скорости вращения электродвигателя M1.

Транзисторы применяются в схемах роботов для усиления сигналов от датчиков, для управления моторами, на транзисторах можно собрать логические элементы, которые реализуют операции

В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые .

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими между собой р-п-переходами и тремя или более выводами.

Полупроводниковый кристалл транзистора состоит из трех областей с чередующимися типами электропроводности, между которыми находятся два р-п -перехода. Средняя область обычно выполняется очень тонкой (доли микрона), поэтому р-п -переходы близко расположены один от другого.

В зависимости от порядка чередования областей полупроводника с различными типами электропроводности различают транзисторы р-п-р и п-р-п- типов. Упрощенные структуры и УГО разных типов транзисторов показаны на рисунке 1.23, а , б .

Рисунок 1.23 - Структура и УГО биполярных транзисторов

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором. В качестве основного материала для изготовления биполярных транзисторов в настоящее время используется кремний. При этом преимущественно изготовляют транзисторы п-р-п -типа, в которых основными носителями заряда являются электроны, имеющие подвижность в два-три раза выше, чем подвижность дырок.

Управление величиной протекающего в выходной цепи (в цепи коллектора или эмиттера) биполярного транзистора тока осуществляется с помощью тока в цепи управляющего электрода - базы . Базой называется средний слой в структуре транзистора. Крайние слои называются эмиттер (испускать, извергать) и коллектор (собирать). Концентрация примесей (а, следовательно, и основных носителей зарядов) в эмиттере существенно больше, чем в базе и больше, чем в коллекторе. Поэтому эмиттерная область самая низкоомная .

Для иллюстрации физических процессов в транзисторе воспользуемся упрощенной структурой транзистора п-р-п- типа, приведенной на рисунке 1.24. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что р-п -переходы транзистора сильно взаимодействуют друг с другом. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот.

В активном режиме (когда транзистор работает как усилительный элемент) к транзистору подключают два источника питания таким образом, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении , а коллекторный - в обратном (рисунок 1.24). Под действием электрического поля источника Е БЭ через эмиттерный переход течет достаточно большой прямой ток I Э, который обеспечивается, главным образом, инжекцией электронов из эмиттера в базу Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Рисунок 1.24 - Физические процессы в биполярном транзисторе

Поток электронов, обеспечивающий ток I Э через переход эмиттер - база показан на рисунке 1.24 широкой стрелкой. Часть инжектированных в область базы электронов (1 … 5%) рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда - дырками, образуя во внешней цепи базы ток I Б. Вследствие большой разности концентраций основных носителей зарядов в эмиттере и базе, нескомпенсированные инжектированные в базу электроны движутся в глубь ее по направлению к коллектору .

Вблизи коллекторного р-п- перехода электроны попадают под действие ускоряющего электрического поля этого обратносмещенного перехода. А поскольку в базе они являются неосновными носителями, то происходит втягивание (экстракция ) электронов в область коллектора. В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока . Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p-n -перехода несколько больше тока коллекторного p-n -перехода.

Для тока коллектора можно записать следующее равенство

, (1.9)

где a ст - статический коэффициент передачи тока эмиттера;

I КБО - обратный ток коллекторного перехода (тепловой ток) (у транзисторов малой мощности при нормальной температуре составляет 0, 015 ... 1 мкА).

На практике статический коэффициент передачи тока эмиттера a ст , взависимости от типа транзистора, может принимать значения в диапазоне 0,95 … 0,998.

Ток эмиттера в транзисторе численно является самым большим и равен

, (1.11)

где - статический коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером (в справочной литературе используется обозначение h 21Э , обычно принимает значение b ст = 20 … 1000 в зависимости от типа и мощности транзистора).

Из ранее сказанного следует, что транзистор представляет собой управляемый элемент, поскольку значение его коллекторного (выходного) тока зависит от значений токов эмиттера и базы.

Заканчивая рассмотрение принципа работы биполярного транзистора, следует отметить, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (сотни килоом). Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями , тем самым практически не изменяя значения коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность.

Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (десятки - сотни Ом). Поэтому при почти одинаковых значениях эмиттерного и коллекторного токов мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается существенно меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки. Это указывает на то, что транзистор является полупроводниковым прибором, усиливающим мощность .

Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной: сплавление , диффузия , эпитаксия . Это в значительной мере определяет характеристики прибора. Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рисунке 1.25. В частности, на рисунке 1.25, а показана структура сплавного , на рисунке 1.25, б - эпитаксиально -диффузионного , на рисунке 1.25, в - планарного , на рисунке 1.25, г - мезапланарного транзисторов .

Рисунок 1.25 - Способы изготовления биполярных транзисторов

Режимы работы и схемы включения транзистора

На каждый р-п- переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки , режим насыщения , активный режим и инверсный режим.

Активный режим обеспечивается подачей на эмиттерный переход прямого напряжения, а на коллекторный - обратного (основной режим работы транзистора). Этот режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальное искажение усиливаемого сигнала.

В инверсном режиме к коллекторному переходу приложено прямое напряжение, к эмиттерному - обратное (a ст ® min; используется очень редко).

В режиме насыщения оба перехода находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратных направлениях. Выходной ток близок к нулю.

Режимы насыщения и отсечки используется одновременно в ключевых схемах (при работе транзистора в ключевом режиме).

При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для подачи входного сигнала и два вывода для подключения нагрузки (снятия выходного сигнала). Поскольку у транзистора всего три вывода, один из них должен быть общим для входного и выходного сигналов.

В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим при подключении источника сигнала и нагрузки, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рисунок 1.26, а ); с общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 1.26, б ); с общим коллектором (ОК) (рисунок 1.26, в ).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, то есть необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками и вх. Они изменяют ток эмиттера (базы) транзистора, а, соответственно, и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рисунок 1.26, а , б ) и тока эмиттера (рисунок 1.26, в ) создадут, соответственно, на резисторах R К и R Э приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами и вых .

а б в

Рисунок 1.26 - Схемы включения транзистора

При определении схемы включения транзистора необходимо учитывать то, что сопротивление источника постоянного напряжения для переменного тока близко к нулю.

Вольт-амперные характеристики транзистора

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются с помощью статических вольт-амперных характеристик. При этом различают входные и выходные ВАХ транзистора. Поскольку все три тока (базовый, коллекторный и эмиттерный) в транзисторе тесно взаимосвязаны, при анализе работы транзистора необходимо пользоваться одновременно входными и выходными ВАХ.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои вольт-амперные характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенных напряжений. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют обычно в графической форме.

Транзистор, как четырехполюсник, характеризуется входными и выходными статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора).

На рисунке 1.27 показаны статические ВАХ р-п-р -транзистора, включенного по схеме с ОЭ (наиболее часто применяемой на практике).

а б

Рисунок 1.27 - Статические ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Входная ВАХ (рисунок 1.27, а ) подобна прямой ветви ВАХ диода. Она представляет собой зависимость тока I Б от напряжения U БЭ U КЭ , то есть зависимость вида

. (1.12)

Из рисунка 1.27, а видно: чем больше напряжение U КЭ , тем правее смещается ветвь входной ВАХ. Это объясняется тем, что при увеличении обратносмещающего напряжения U КЭ происходит увеличение высоты потенциального барьера коллекторного р -п -перехода. А поскольку в транзисторе коллекторный и эмиттерный р -п -переходы сильно взаимодействуют, то это, в свою очередь, приводит к уменьшению базового тока при неизменном напряжении U БЭ .

Статические ВАХ, представленные на рисунке 1.27, а , сняты при нормальной температуре (20 °С). При повышении температуры эти характеристики будут смещаться влево, а при понижении - вправо. Это связано с тем, что при повышении температуры повышается собственная электропроводность полупроводников.

Для выходной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ, строится семейство выходных ВАХ (рисунок 1.27, б ). Это обусловлено тем, что коллекторный ток транзистора зависит не только (и не столько, как видно из рисунка) от напряжения, приложенного к коллекторному переходу, но и от тока базы. Таким образом, выходной вольт-амперной характеристикой для схемы с ОЭ называется зависимость тока I К от напряжения U КЭ при фиксированном токе I Б , то есть зависимость вида

. (1.13)

Каждая из выходных ВАХ биполярного транзистора характеризуется в начале резким возрастанием выходного тока I К при возрастании выходного напряжения U КЭ , а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока.

На выходной ВАХ транзистора можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: область насыщения , область отсечки и область активной работы (усиления), соответствующая активному состоянию транзистора, когда ½U БЭ ½ > 0 и ½U КЭ ½> 0.

Входные и выходные статические ВАХ транзисторов используют при графо-аналитическом расчете каскадов, содержащих транзисторы.

Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора р -п -р -типа для схемы включения с ОБ приведены на рисунке 1.28, а и 1.28, б соответственно.

а б

Рисунок 1.28 - Статические ВАХ биполярного транзистора для схемы включения с ОБ

Для схемы с ОБ входной статической ВАХ называют зависимость тока I Э от напряжения U ЭБ при фиксированном значении напряжения U КБ , то есть зависимость вида

. (1.14)

Выходной статической ВАХ для схемы с ОБ называется зависимость тока I К от напряжения U КБ при фиксированном токе I Э , то есть зависимость вида

. (1.15)

На рисунке 1.28, б можно выделить две области, соответствующие двум режимам работы транзистора: активный режим (U КБ < 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим насыщения (U КБ > 0 и коллекторный переход смещен в прямом направлении).

Математическая модель биполярного транзистора

К настоящему времени известно много электрических моделей биполярных транзисторов. В системах автоматизации проектирования (САПР) радиоэлектронных средств наиболее часто используются: модели Эберса-Молла , обобщенная модель управления зарядом Гуммеля-Пуна, модель Линвилла, а также локальные П- и Т-образные модели линейных приращений Джиаколлето.

Рассмотрим, в качестве примера, один из вариантов модели Эберса-Молла (рисунок 1.29), отражающей свойства транзисторной структуры в линейном режиме работы и в режиме отсечки.

Рисунок 1.29 - Схема замещения биполярного транзистора (модель Эберса-Молла)

На рисунке 1.29 использованы обозначения: r э , r б , r к - сопротивления, соответственно, эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора и контактов к ним; I б , I к - управляемые напряжением и п на входном переходе источники тока, отражающие передачу тока через транзистор; R эб - сопротивление утечки перехода база-эмиттер; R кб - сопротивление утечки перехода база-коллектор. Ток источника I б связан с напряжением на переходе соотношением

, (1.15)

где I БО - ток насыщения перехода база-эмиттер (обратный ток);

y к = (0,3 … 1,2) В - контактная разность потенциалов (зависит от типа полупроводникового материала);

т - эмпирический коэффициент.

Параллельно переходу база-эмиттер включены барьерная емкость С бэ и диффузионная емкость С дэ перехода. Величина С бэ определяется обратным напряжением на переходе и п и зависит от него по закону

, (1.16)

где С 0б - емкость перехода при и п = 0;

g = 0,3 ... 0,5 - коэффициент, зависящий от распределения примесей в области базы транзистора.

Диффузионная емкость является функцией тока I б , протекающего через переход, и определяется выражением

где А - коэффициент, зависящий от свойств перехода и его температуры.

Коллекторно-базовый переход моделируется аналогично, отличие состоит лишь в учете только барьерной емкости перехода

, (1.18)

так как при работе транзистора в линейном режиме и режиме отсечки коллекторного тока этот переход закрыт. Выражение для тока управляемого источника коллекторного тока , моделирующего усилительные свойства транзистора, имеет вид

, (1.19)

где b ст - статический коэффициент передачи тока базы транзистора в схеме с общим эмиттером.

Параметры модели Эберса-Молла могут быть получены либо расчетным путем на основе анализа физико-топологической модели транзистора, либо измерены экспериментально. Наиболее легко определяются статические параметры модели на постоянном токе.

Глобальная электрическая модель дискретного биполярного транзистора, учитывающая индуктивности и емкости его выводов, представлена на рисунке 1.30.

Рисунок 1.30 - Глобальная модель биполярного транзистора

Основные параметры биполярного транзистора

При определении переменных составляющих токов и напряжений (то есть при анализе электрических цепей на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рисунок 1.31, а ). Названия (физическая сущность) входных и выходных токов и напряжений такого четырехполюсника зависят от схемы включения транзистора.

а б

Рисунок 1.31 - Представление биполярного транзистора линейным четырехполюсником

Для схемы включения транзистора с общим эмиттером токи и напряжения четырехполюсника (рисунок 1.31, б ) соответствуют следующим токам и напряжениям транзистора:

- i 1 - переменная составляющая тока базы;

- u 1 - переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;

- i 2 - переменная составляющая тока коллектора;

- u 2 - переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.

Транзистор удобно описывать, используя так называемые h -параметры. При этом система уравнений четырехполюсника в матричном виде примет вид

. (1.20)

Коэффициенты h ij (то есть h -параметры) определяют опытным путем, используя поочередно режимы короткого замыкания и холостого хода на входе и выходе четырехполюсника.

Сущность h -параметров для схемы включения транзистора с ОЭ следующая:

- - входное сопротивление транзистора для переменного сигнала при коротком замыкании на выходе;

- r б - омическое сопротивление тела базы. У реальных транзисторов достигает значений 100 … 200 Ом;

- r э - сопротивление р -п -перехода, значение которого зависит от режима работы транзистора и меняется в активном режиме в пределах долей - десятков Ом;

B - дифференциальный коэффициент передачи тока базы, определяемый из выражения

; (1.25)

Сопротивление коллекторной области, определяемое из выражения

, (1.26)

где r к - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (обычно находится в пределах доли - десятки МОм), определяемое из выражения

(1.27)