В разглежданата схема Ik = Ik0 + aIe » Ie. Следователно веригата на биполярен транзистор с обща база има нисък коефициент на пренос на ток. Поради това се използва рядко, главно във високочестотни устройства, където е за предпочитане пред другите по отношение на усилването на напрежението.

Основната схема за включване на биполярен транзистор е схема с общ емитер (фиг. 3).

Ориз. 3. Включване на биполярен транзистор по схема с общ емитер

За него можем да запишем Ib = Ie – Ik = (1 – a)Ie – Ik0.

Като се има предвид, че 1 – a = 0,001 - 0,1, имаме Ib<< Iэ » Iк.

Нека намерим съотношението на колекторния ток към базовия ток:

Тази връзка се нарича базов коефициент на пренос на ток. При a = 0,99 получаваме b = 100. Ако източник на сигнал е включен в основната верига, тогава същият сигнал, но усилен в тока b пъти, ще тече в колекторната верига, образувайки напрежение върху резистора Rk, което е много по-голямо от напрежението на източника на сигнала.

За да се оцени работата на биполярен транзистор в широк диапазон от импулсни и постоянни токове, мощности и напрежения, както и да се изчисли веригата на отклонение и стабилизирането на режима, семейства от входни и изходни токово-напреженови характеристики (волт-амперни характеристики).

Семейство входни токово-напреженови характеристикиустановете зависимостта на входния ток (база или емитер) от входното напрежение Ube при Uk = const, фиг. 4, а. Входните ток-напрежения на транзистора са подобни на ток-напреженията на диод при директно свързване.

Семейството от изходни I-V характеристики установява зависимостта на колекторния ток от напрежението върху него при определена база или емитерен ток (в зависимост от веригата с общ емитер или обща база), Фиг. 4, б.

Ориз. 4. Токово-напреженови характеристики на биполярен транзистор: a – вход, b – изход

В допълнение към n-p електрическия преход, преходът, базиран на контакт метал-полупроводник - бариерата на Шотки - се използва широко във високоскоростни вериги. При такива преходи не се изразходва време за натрупване и разтваряне на заряди в основата, а работата на транзистора зависи само от скоростта на презареждане на бариерния капацитет.

Ориз. 5. Биполярни транзистори

Параметри на биполярни транзистори

За оценка на максимално допустимите режими на работа на транзисторите се използват следните основни параметри:

1) максимално допустимо напрежение колектор-емитер(за различни транзистори Uke max = 10 - 2000 V),

2) максимално допустима разсейвана мощност на колектора Pk макс– според него транзисторите се разделят на транзистори с малка мощност (до 0,3 W), средна мощност (0,3 - 1,5 W) и голяма мощност (повече от 1,5 W), транзисторите със средна и висока мощност често са оборудвани със специален радиатор устройство - радиатор,

3) максимално допустим колекторен ток Ik max – до 100 A и повече,

4) гранична честота на предаване на ток fgr(честота, при която h21 става равна на единица), биполярните транзистори се разделят на нея:

• за ниски честоти - до 3 MHz,

• средна честота - от 3 до 30 MHz,

• висока честота - от 30 до 300 MHz,

• свръхвисока честота - повече от 300 MHz.
  

Доктор на техническите науки, професор Л. А. Потапов

Биполярен транзистор е полупроводниково устройство с две взаимодействащи Р-н-преходи и с три клеми (фиг. 1.15). В зависимост от редуването на легираните области се разграничават транзисторите n-p-n-тип (фиг. 1.15, А) И Р-н-р-тип (фиг. 1.15, b).

На фиг. 1.15, V, Ждадени са символи на транзисторите п-п-п-И Р-п-р-видове, съответно. Транзисторните клеми са обозначени: д– излъчвател, б– основа, ДА СЕ– колектор.

Емитерната и колекторната област се различават по това, че концентрацията на примеси в емитерната област е много по-голяма, отколкото в колекторната област. Преходът, който възниква между емитера и основата, се нарича емитерно съединение , а преходът, който се получава между колектора и основата е колектор .

На фиг. Фигура 1.16 показва електрическа схема за свързване на транзистор със свързани източници на постоянно напрежение и колекторен резистор. В тази схема базовият извод на транзистора е свързан към корпуса. Следователно тази схема се нарича схема за свързване на транзистор с обща база (CB).

Разграничете четири режима на работа на биполярния транзистор :

1) активен режим – емитерният преход е отворен, а колекторният преход е затворен (фиг. 1.16);

2) режим на изключване - и двете Р-н- преходите са затворени и няма значителен ток през транзистора.

За да получите този режим, е необходимо да промените полярността на източника във веригата (вижте фиг. 1.16) E Eкъм обратното;

1) режим на насищане - две Р-н-транзисторните преходи са отворени и през тях протичат постоянни токове. За да получите този режим, е необходимо да промените полярността на източника във веригата (вижте фиг. 1.16) Е Ккъм обратното;

2) инверсен режим – колекторният преход е отворен, а емитерният преход е затворен. За да се получи този режим, е необходимо да се сменят полярностите на източника във веригата (виж фиг. 1.16) на противоположни полярности Е КИ E E.

Активният режим на работа се използва главно за усилване и преобразуване на сигнали. Работата на биполярен транзистор в активен режим се основава на явлението дифузия, както и на ефекта на дрейфа на носителя на заряд в електрическо поле.

Работа на транзистора в активен режим

Нека разгледаме работата на транзистор в активен режим, като използваме примера на транзистор тип pnp (фиг. 1.16). В този режим емитерният преход на транзистора е отворен. Напрежението на отваряне е E E= 0,4…0,7 V.

Токът протича през отворения емитерен преход аз Е (аз Е= 0,1…10 mA за транзистор с ниска мощност). По правило в емитерната област на транзистора концентрацията на акцепторни примеси е многократно по-голяма от концентрацията на донорни примеси в базовата област. н-транзисторна област. Следователно концентрацията на дупки в емитерната област е много по-голяма от концентрацията на електрони в базовата област и почти целият емитерен ток е дупков ток.

В единични п-н-преход по време на дифузия на дупка в П-област, възниква пълна рекомбинация на инжектирани дупки с електрони П-региони Същият процес протича в емитерния преход на транзистора. Благодарение на този процес възниква базов ток аз Б(виж Фиг. 1.16). В транзистора обаче се случват по-сложни процеси.

Основната характеристика на конструкцията на транзистора е относителната тънка основна площ b.Ширина на основата ( У) в транзистор е много по-малко от свободния път на дупките ( Л). В съвременните силициеви транзистори У» 1 µm и дължината на дифузия Л= 5…10 µm. Следователно по-голямата част от дупките достигат колекторния преход, без да имат време да се рекомбинират с базовите електрони. Веднъж попаднали в обратната колекторна връзка, дупките се движат (и ускоряват) в съществуващото поле на кръстовището.

След като преминат през колекторния възел, дупките се рекомбинират с електрони, които текат към колектора от източника на енергия ( Е К). Имайте предвид, че този ток на дупка е многократно по-голям от вътрешния обратен ток на затворения колекторен възел и почти напълно определя колекторния ток ( и К) транзистор.

От анализа на активния режим (фиг. 1.16) следва уравнението за транзисторните токове:

В това уравнение базовият ток е много по-малък от емитерния ток и колекторния ток, и
Колекторният ток е почти равен на емитерния ток на транзистора.

Връзките между токовете в транзистора се характеризират с два параметъра:

коефициент на пренос на ток на емитер

И базов коефициент на пренос на ток

Използвайки формула (1.2), получаваме формулата връзка между коефициентите на предаване :

Стойности на коефициента α И β зависят от дизайна на транзистора. За повечето транзистори с ниска мощност, използвани в комуникационни устройства и компютри, коефициентът b= 20...200, а коеф а = 0,95…0,995.

Транзисторни усилвателни свойства

Нека разгледаме усилващите свойства на транзистора. Нека на входа на транзистора има напрежение E E= 0,5 V. И нека това напрежение създаде ток аз Е= 5 mA. Консумираната мощност за управление на транзистора е равна на:

R VX= E Eаз Е= 0,5 × 5 × 10 -3 = 2,5 mW.

Нека съпротивлението на полезния товар в колекторната верига на транзистора (фиг. 1.17) е равно на Р К= 1 kOhm. През товарния резистор протича колекторен ток, приблизително равен на емитерния ток на транзистора: и К» аз Е. Изходната мощност, освободена при натоварване, е равна на:

R N =аз К 2R K = 25 mW .

Следователно веригата (виж фиг. 1.17) осигурява десетократно усилване на мощността. Имайте предвид, че за да се осигури такова усилване, е необходимо да се приложи голямо блокиращо напрежение към колекторния възел:

E K >U K,

Където U K = i K RК– спад на напрежението върху съпротивлението на товара в колекторната верига.

Повишената енергия на изходния сигнал се осигурява от захранването в колекторната верига.

Нека разгледаме други режими на работа на транзистора:

· в режим насищане възниква прав ток на колекторния преход. Посоката му е противоположна на посоката на дифузионния ток на отворите. Полученият колекторен ток рязко намалява и усилващите свойства на транзистора рязко се влошават;

Рядко използван транзистор обратен режим, тъй като инжекционните свойства на колектора са много по-лоши от инжекционните свойства на емитера;

· В режим прекъсвания всички токове през транзистора са практически равни на нула - и двата прехода на транзистора са затворени и усилващите свойства на транзистора не се проявяват.

В допълнение към разглежданата схема за свързване на транзистор с обща база се използват две други схеми:

1) когато се свърже с емитерното тяло на транзистора, получаваме верига с общ емитер (CE). (фиг. 1.17). Най-често в практиката се среща OE схемата;

2) когато е свързан към корпуса на колектора на транзистора получаваме верига с общ колектор (ОК) . В тези схеми управляващото напрежение се прилага към базовия извод на транзистора.

Зависимостта на токовете през изводите на транзистора от напреженията, приложени към транзистора, се нарича характеристики ток-напрежение (волт-ампер характеристики) транзистор.

За схема с общ емитер (фиг. 1.17) I-V характеристиките на транзистора изглеждат така (фиг. 1.18, 1.19). Подобни графики могат да се получат за схема с обща база. Криви (виж фиг. 1.18) се наричат входни характеристики на транзистора , тъй като те показват зависимостта на входния ток от управляващото входно напрежение, подадено между базата и емитера на транзистора. Входните характеристики на транзистора са близки до характеристиките Р-н-преход.

Зависимостта на входните характеристики от напрежението на колектора се обяснява с увеличаване на ширината на колекторния преход и следователно намаляване на дебелината на основата с увеличаване на обратното напрежение в колектора на транзистора (ранен ефект).

Криви (виж фиг. 1.19) се наричат изходни характеристики на транзистора . Те се използват за определяне на колекторния ток на транзистора. Увеличаването на тока на колектора съответства на увеличаване на управляващото напрежение в основата на транзистора:

u BE4 > u BE3 > u BE2 > u BE1..

При u FE£ U US(виж фиг. 1.19) напрежението в колектора на транзистора става по-малко от напрежението в основата. В този случай колекторният възел на транзистора се отваря и възниква наситеният режим
ция, при която колекторният ток рязко намалява.

При високо напрежение на колектора колекторният ток започва да се увеличава, тъй като възниква процес на лавинообразно (или термично) разрушаване на колекторния преход на транзистора.

От анализа на характеристиките на токовото напрежение на транзистора следва, че транзисторът, подобно на диода, принадлежи към нелинейни елементи. Въпреки това, в активен режим с u FE> U USКолекторният ток на транзистора се променя приблизително правопропорционално на увеличенията на входното управляващо напрежение в основата на транзистора, т.е. Изходната верига на транзистора е близка по свойства до идеален управляван източник на ток. Токът на колектора в активен режим е практически независим от товара, свързан към колектора на транзистора.

На фиг. 1.20 показва най-простия линейна еквивалентна схема на транзистор , получена за активния режим на работа при прилагане на променливи сигнали с малка амплитуда към транзистора ( U m < 0,1 В). Основным элементом этой схемы является источник тока, управляемый входным напряжением:

I K =СУ БЪДЕ,

Където С– транзисторна транскондуктивност, равна на 10...100 mA/V за маломощни транзистори.

Съпротива r CEхарактеризира загубите на енергия в колекторната верига. Стойността му за транзистори с ниска мощност е десетки и стотици килоома. Съпротивление на емитерния преход ( r БЪДЕТЕ) е равно на стотни ома или единици килоома. Това съпротивление характеризира енергията, загубена за управление на транзистора. Стойностите на параметрите на еквивалентната схема могат да бъдат намерени чрез посочване на работните точки на входните и изходните I-V характеристики на транзистора и определяне на съответните производни в тези работни точки (или посочване на нарастванията на съответните токове и напрежения при работните точки).

Биполярният транзистор е полупроводников елемент с две p-n преходи и три извода, който служи за усилване или превключване на сигнали. Те се предлагат в типове p-n-p и n-p-n. Фигура 7.1, a и b показва техните символи.

Фиг.7.1. Биполярни транзистори и техните диодни еквивалентни схеми:а) p-n-p, б) n-p-n транзистор

Транзисторът се състои от два срещуположно свързани диода, които имат един общ p- или n-слой. Електродът, свързан към него, се нарича база B. Другите два електрода се наричат ​​емитер E и колектор K. Диодната еквивалентна схема, показана до символа, обяснява превключващата структура на транзисторните преходи. Въпреки че тази диаграма не характеризира напълно функциите на транзистора, тя дава възможност да си представите обратните и правите напрежения, действащи в него. Обикновено преходът емитер-база е предубеден (отворен), а преходът база-колектор е обратно предубеден (затворен). Следователно източниците на напрежение трябва да бъдат включени, както е показано на фиг. 7.2.

Фиг.7.2. Превключваща полярност: а) n-p-n, б) p-n-p транзистор

Транзисторите от типа n-p-n се подчиняват на следните правила (за транзисторите от типа p-n-p правилата остават същите, но трябва да се отбележи, че полярността на напрежението трябва да бъде обърната):

1. Колекторът има по-положителен потенциал от емитера.

2. Веригите база-емитер и база-колектор работят като диоди (фиг. 7.1). Обикновено преходът база-емитер е отворен, а преходът база-колектор е обратно предубеден, т.е. приложеното напрежение предотвратява протичането на ток през него. От това правило следва, че напрежението между основата и емитера не може да се увеличава безкрайно, тъй като потенциалът на основата ще надвиши потенциала на емитера с повече от 0,6 - 0,8 V (напрежение на диода напред) и възниква много голям ток. Следователно в работещ транзистор напреженията в основата и емитера са свързани със следната връзка: UB ≈ UE+0,6V; (UB = UE + UBE).

3. Всеки транзистор се характеризира с максимални стойности на IK, IB, UKE. Ако тези параметри са превишени, трябва да се използва друг транзистор. Трябва да запомните и граничните стойности на други параметри, например разсейвана мощност на RC, температура, UBE и др.

4. Ако се спазват правила 1-3, токът на колектора е право пропорционален на базовия ток. Съотношението на токовете на колектора и емитера е приблизително равно

IК = αIE, където α=0,95…0,99 е коефициентът на пренос на ток на емитер. Разликата между токовете на емитер и колектор в съответствие с първия закон на Кирхоф (и както се вижда от фиг. 7.2, а) е базовият ток IB = IE - IK. Токът на колектора зависи от базовия ток в съответствие с израза: IK = βIB, където β=α/(1-α) е коефициентът на пренос на базовия ток, β >>1.

Правило 4 дефинира основното свойство на транзистора: малък базов ток контролира голям колекторен ток.

Режими на работа на транзисторите. Всяко съединение на биполярен транзистор може да бъде включено в права или обратна посока. В зависимост от това се разграничават следните четири режима на работа на транзистора.

Boost или активен режим- директно напрежение се прилага към емитерния преход, а обратното напрежение се прилага към колекторния преход. Именно този режим на работа на транзистора съответства на максималната стойност на коефициента на пренос на ток на емитер. Колекторният ток е пропорционален на базовия ток, осигурявайки минимално изкривяване на усиления сигнал.

Инверсен режим- директно напрежение се прилага към колекторния преход, а обратното напрежение се прилага към емитерния преход. Обратният режим води до значително намаляване на коефициента на пренос на ток на базата на транзистора в сравнение с работата на транзистора в активен режим и следователно на практика се използва само в ключови вериги.

Режим на насищане- и двата прехода (емитер и колектор) са под постоянно напрежение. Изходният ток в този случай не зависи от входния ток и се определя само от параметрите на натоварването. Поради ниското напрежение между клемите на колектора и емитера, режимът на насищане се използва за затваряне на веригите за предаване на сигнала.

Режим на изключване- обратни напрежения се прилагат към двете кръстовища. Тъй като изходният ток на транзистора в режим на прекъсване е практически нула, този режим се използва за отваряне на вериги за предаване на сигнал.

Основният режим на работа на биполярните транзистори в аналоговите устройства е активният режим. В цифровите схеми транзисторът работи в режим на превключване, т.е. той е само в режим на прекъсване или насищане, заобикаляйки активния режим.

Биполярен транзистор- електронно полупроводниково устройство, един от видовете транзистори, предназначено да усилва, генерира и преобразува електрически сигнали. Транзисторът се нарича биполярно, тъй като в работата на устройството участват едновременно два вида носители на заряд - електрониИ дупки. По това се различава от еднополюсен(полеви) транзистор, в който участва само един вид носител на заряд.

Принципът на работа и на двата вида транзистори е подобен на работата на крана за вода, който регулира потока на водата, само поток от електрони преминава през транзистора. В биполярните транзистори през устройството преминават два тока - основният „голям“ ток и контролният „малък“ ток. Основната мощност на тока зависи от управляващата мощност. При полеви транзистори през устройството преминава само един ток, чиято мощност зависи от електромагнитното поле. В тази статия ще разгледаме по-отблизо работата на биполярен транзистор.

Дизайн на биполярен транзистор.

Биполярният транзистор се състои от три полупроводникови слоя и два PN прехода. PNP и NPN транзисторите се отличават с вида на редуване на дупка и електронна проводимост. Подобно е на два диода, свързани лице в лице или обратно.

Биполярният транзистор има три контакта (електрода). Контактът, излизащ от централния слой, се нарича база.Крайните електроди се наричат колекторИ излъчвател (колекторИ излъчвател). Основният слой е много тънък спрямо колектора и емитера. В допълнение към това, полупроводниковите области в краищата на транзистора са асиметрични. Полупроводниковият слой от страната на колектора е малко по-дебел, отколкото от страната на емитера. Това е необходимо за правилната работа на транзистора.

Нека разгледаме физическите процеси, протичащи по време на работа на биполярен транзистор. Да вземем за пример модела NPN. Принципът на работа на PNP транзистора е подобен, само полярността на напрежението между колектора и емитера ще бъде противоположна.

Както вече беше споменато в статията за видовете проводимост в полупроводниците, веществата от тип P съдържат положително заредени йони - дупки. Веществото от тип N е наситено с отрицателно заредени електрони. В транзистора концентрацията на електрони в N областта значително надвишава концентрацията на дупки в P областта.

Нека свържем източник на напрежение между колектора и емитера V CE (V CE). Под действието му електроните от горната N част ще започнат да се привличат към плюса и да се събират близо до колектора. Токът обаче няма да може да тече, тъй като електрическото поле на източника на напрежение не достига до излъчвателя. Това се предотвратява от дебел слой колекторен полупроводник плюс слой основен полупроводник.

Сега нека свържем напрежението между базата и емитера V BE , но значително по-ниско от V CE (за силициевите транзистори минималното изисквано V BE е 0,6 V). Тъй като слоят P е много тънък, плюс източник на напрежение, свързан към основата, той ще може да „достигне“ със своето електрическо поле N областта на емитера. Под негово влияние електроните ще бъдат насочени към основата. Някои от тях ще започнат да запълват дупките, разположени там (рекомбинират). Другата част няма да намери свободна дупка, тъй като концентрацията на дупки в основата е много по-ниска от концентрацията на електрони в емитера.

В резултат на това централният слой на основата се обогатява със свободни електрони. Повечето от тях ще отидат към колектора, тъй като там напрежението е много по-високо. Това се улеснява и от много малката дебелина на централния слой. Част от електроните, макар и много по-малки, все още ще текат към плюсовата страна на основата.

В резултат на това получаваме два тока: малък - от основата към емитера I BE и голям - от колектора към емитера I CE.

Ако увеличите напрежението в основата, тогава още повече електрони ще се натрупат в P слоя. В резултат на това базовият ток ще се увеличи леко, а колекторният ток ще се увеличи значително. По този начин, с лека промяна в базовия ток Iб , токът на колектора I се променя значителноС. Това се случва. усилване на сигнала в биполярен транзистор. Съотношението на тока на колектора I C към базовия ток I B се нарича усилване на тока. Определен β , hfeили h21e, в зависимост от спецификата на изчисленията, извършвани с транзистора.

Най-простият биполярен транзисторен усилвател

Нека разгледаме по-подробно принципа на усилване на сигнала в електрическата равнина, използвайки примера на верига. Нека направя резервация предварително, че тази схема не е напълно правилна. Никой не свързва източник на постоянно напрежение директно към източник на променлив ток. Но в този случай ще бъде по-лесно и по-ясно да се разбере самият механизъм на усилване с помощта на биполярен транзистор. Освен това самата техника на изчисление в примера по-долу е донякъде опростена.

1.Описание на основните елементи на веригата

Така че, да кажем, че имаме транзистор с коефициент на усилване 200 (β = 200). От страната на колектора ще свържем сравнително мощен източник на захранване от 20 V, благодарение на чиято енергия ще се получи усилване. От основата на транзистора свързваме слаб източник на захранване от 2V. Към него ще свържем последователно източник на променливо напрежение под формата на синусоида с амплитуда на трептене 0,1V. Това ще бъде сигнал, който трябва да бъде усилен. Резисторът Rb близо до основата е необходим, за да се ограничи токът, идващ от източника на сигнал, който обикновено има ниска мощност.

2. Изчисляване на базовия входен ток I b

Сега нека изчислим базовия ток I b. Тъй като имаме работа с променливо напрежение, трябва да изчислим две стойности на тока - при максимално напрежение (V max) и минимално (V min). Нека наречем тези текущи стойности съответно - I bmax и I bmin.

Освен това, за да изчислите базовия ток, трябва да знаете напрежението база-емитер V BE. Има един PN преход между основата и емитера. Оказва се, че базовият ток "среща" полупроводниковия диод по пътя си. Напрежението, при което един полупроводников диод започва да провежда е около 0,6V. Няма да навлизаме в подробности за характеристиките на токовото напрежение на диода и за простота на изчисленията ще вземем приблизителен модел, според който напрежението на тоководещия диод винаги е 0,6V. Това означава, че напрежението между основата и излъчвателя е V BE = 0,6V. И тъй като емитерът е свързан към земята (V E = 0), напрежението от основата към земята също е 0,6 V (V B = 0,6 V).

Нека изчислим I bmax и I bmin, използвайки закона на Ом:

2. Изчисляване на изходния ток на колектора I C

Сега, знаейки печалбата (β = 200), можете лесно да изчислите максималните и минималните стойности на тока на колектора (I cmax и I cmin).

3. Изчисляване на изходното напрежение V out

Колекторният ток протича през резистора Rc, който вече изчислихме. Остава да заменим стойностите:

4. Анализ на резултатите

Както може да се види от резултатите, V Cmax се оказа по-малко от V Cmin. Това се дължи на факта, че напрежението на резистора V Rc се изважда от захранващото напрежение VCC. В повечето случаи обаче това няма значение, тъй като се интересуваме от променливата компонента на сигнала - амплитудата, която се е увеличила от 0,1V на 1V. Честотата и синусоидалната форма на сигнала не са се променили. Разбира се, съотношението V out / V от десет пъти далеч не е най-добрият показател за усилвател, но е доста подходящо за илюстриране на процеса на усилване.

Така че, нека обобщим принципа на работа на усилвател, базиран на биполярен транзистор. През основата протича ток I b, носещ постоянни и променливи компоненти. Необходим е постоянен компонент, така че PN преходът между основата и емитера да започне да провежда - "отваря". Променливият компонент всъщност е самият сигнал (полезна информация). Токът колектор-емитер вътре в транзистора е резултат от базовия ток, умножен по усилването β. На свой ред напрежението на резистора Rc над колектора е резултат от умножаването на усиления колекторен ток по стойността на резистора.

Така изводът V out получава сигнал с повишена амплитуда на трептене, но със същата форма и честота. Важно е да се подчертае, че транзисторът взема енергия за усилване от източника на захранване VCC. Ако захранващото напрежение е недостатъчно, транзисторът няма да може да работи напълно и изходният сигнал може да бъде изкривен.

Режими на работа на биполярен транзистор

В съответствие с нивата на напрежение на електродите на транзистора има четири режима на работа:

• Режим на изключване.
• Активен режим.
• Режим на насищане.
• Обратен режим.

Режим на изключване

Когато напрежението база-емитер е по-ниско от 0,6 V - 0,7 V, PN преходът между база и емитер е затворен. В това състояние транзисторът няма базов ток. В резултат на това също няма да има колекторен ток, тъй като в основата няма свободни електрони, готови да се придвижат към колекторното напрежение. Оказва се, че транзисторът е сякаш заключен и казват, че е вътре режим на изключване.

Активен режим

IN активен режимНапрежението в основата е достатъчно за отваряне на PN прехода между основата и емитера. В това състояние транзисторът има базови и колекторни токове. Токът на колектора е равен на базовия ток, умножен по усилването. Тоест активният режим е нормалният режим на работа на транзистора, който се използва за усилване.

Режим на насищане

Понякога базовият ток може да е твърде висок. В резултат на това захранващата мощност просто не е достатъчна, за да осигури такава величина на колекторния ток, която да съответства на усилването на транзистора. В режим на насищане колекторният ток ще бъде максимумът, който може да осигури захранването и няма да зависи от базовия ток. В това състояние транзисторът не е в състояние да усили сигнала, тъй като токът на колектора не реагира на промените в базовия ток.

В режим на насищане проводимостта на транзистора е максимална и е по-подходяща за функцията на превключвател (превключвател) в състояние "включено". По същия начин, в режим на прекъсване, проводимостта на транзистора е минимална и това съответства на превключвателя в изключено състояние.

Инверсен режим

В този режим колекторът и емитерът сменят ролите си: колекторният PN преход е предубеден в посока напред, а емитерният преход е предубеден в обратна посока. В резултат на това токът тече от основата към колектора. Полупроводниковата област на колектора е асиметрична спрямо емитера и коефициентът на усилване в инверсен режим е по-нисък, отколкото в нормален активен режим. Транзисторът е проектиран по такъв начин, че да работи възможно най-ефективно в активен режим. Следователно транзисторът практически не се използва в обратен режим.

Основни параметри на биполярен транзистор.

Текуща печалба– отношение на колекторния ток I C към базовия ток I B. Определен β , hfeили h21e, в зависимост от спецификата на изчисленията, извършвани с транзистори.

β е постоянна стойност за един транзистор и зависи от физическата структура на устройството. Високото усилване се изчислява в стотици единици, ниското усилване - в десетки. За два отделни транзистора от един и същи тип, дори ако са били „съседи по тръбопровода“ по време на производството, β може да е малко по-различно. Тази характеристика на биполярния транзистор е може би най-важната. Ако други параметри на устройството често могат да бъдат пренебрегнати при изчисленията, тогава текущата печалба е почти невъзможна.

Входен импеданс– съпротивление в транзистора, което “среща” базовия ток. Определен Рин (R в). Колкото по-голям е, толкова по-добре за характеристиките на усилване на устройството, тъй като от страната на основата обикновено има източник на слаб сигнал, който трябва да консумира възможно най-малко ток. Идеалният вариант е, когато входният импеданс е безкраен.

R вход за среден биполярен транзистор е няколкостотин KΩ (килоома). Тук биполярният транзистор губи много от транзистора с полеви ефекти, където входното съпротивление достига стотици GΩ (гигаома).

Изходна проводимост- проводимост на транзистора между колектора и емитера. Колкото по-голяма е изходната проводимост, толкова повече ток колектор-емитер ще може да премине през транзистора при по-малка мощност.

Също така, с увеличаване на изходната проводимост (или намаляване на изходното съпротивление), максималното натоварване, което усилвателят може да издържи с незначителни загуби в общото усилване, се увеличава. Например, ако транзистор с ниска изходна проводимост усилва сигнала 100 пъти без товар, тогава, когато е свързан товар от 1 KΩ, той вече ще се усили само 50 пъти. Транзистор със същото усилване, но по-висока изходна проводимост ще има по-малък спад на усилването. Идеалният вариант е, когато изходната проводимост е безкрайност (или изходно съпротивление R out = 0 (R out = 0)).

Биполярен транзистор.

Биполярен транзистор- електронно полупроводниково устройство, един от видовете транзистори, предназначено да усилва, генерира и преобразува електрически сигнали. Транзисторът се нарича биполярно, тъй като в работата на устройството участват едновременно два вида носители на заряд - електрониИ дупки. По това се различава от еднополюсен(полеви) транзистор, в който участва само един вид носител на заряд.

Принципът на работа и на двата вида транзистори е подобен на работата на крана за вода, който регулира потока на водата, само поток от електрони преминава през транзистора. В биполярните транзистори през устройството преминават два тока - основният „голям“ ток и контролният „малък“ ток. Основната мощност на тока зависи от управляващата мощност. При полеви транзистори през устройството преминава само един ток, чиято мощност зависи от електромагнитното поле. В тази статия ще разгледаме по-отблизо работата на биполярен транзистор.

Дизайн на биполярен транзистор.

Биполярният транзистор се състои от три полупроводникови слоя и два PN прехода. PNP и NPN транзисторите се разграничават според вида на редуването дупкова и електронна проводимост. Това е като две диод, свързани лице в лице или обратно.

Биполярният транзистор има три контакта (електрода). Контактът, излизащ от централния слой, се нарича база.Крайните електроди се наричат колекторИ излъчвател (колекторИ излъчвател). Основният слой е много тънък спрямо колектора и емитера. В допълнение към това, полупроводниковите области в краищата на транзистора са асиметрични. Полупроводниковият слой от страната на колектора е малко по-дебел, отколкото от страната на емитера. Това е необходимо за правилната работа на транзистора.

Работа на биполярен транзистор.

Нека разгледаме физическите процеси, протичащи по време на работа на биполярен транзистор. Да вземем за пример модела NPN. Принципът на работа на PNP транзистора е подобен, само полярността на напрежението между колектора и емитера ще бъде противоположна.

Както вече беше посочено в статия за видовете проводимост в полупроводниците, в вещество от тип P има положително заредени йони - дупки. Веществото от тип N е наситено с отрицателно заредени електрони. В транзистора концентрацията на електрони в N областта значително надвишава концентрацията на дупки в P областта.

Нека свържем източник на напрежение между колектора и емитера V CE (V CE). Под действието му електроните от горната N част ще започнат да се привличат към плюса и да се събират близо до колектора. Токът обаче няма да може да тече, тъй като електрическото поле на източника на напрежение не достига до излъчвателя. Това се предотвратява от дебел слой колекторен полупроводник плюс слой основен полупроводник.

Сега нека свържем напрежението между базата и емитера V BE, но значително по-ниско от V CE (за силициевите транзистори минималното изисквано V BE е 0,6 V). Тъй като слоят P е много тънък, плюс източник на напрежение, свързан към основата, той ще може да „достигне“ със своето електрическо поле N областта на емитера. Под негово влияние електроните ще бъдат насочени към основата. Някои от тях ще започнат да запълват дупките, разположени там (рекомбинират). Другата част няма да намери свободна дупка, тъй като концентрацията на дупки в основата е много по-ниска от концентрацията на електрони в емитера.

В резултат на това централният слой на основата се обогатява със свободни електрони. Повечето от тях ще отидат към колектора, тъй като там напрежението е много по-високо. Това се улеснява и от много малката дебелина на централния слой. Част от електроните, макар и много по-малки, все още ще текат към плюсовата страна на основата.

В резултат на това получаваме два тока: малък - от основата към емитера I BE и голям - от колектора към емитера I CE.

Ако увеличите напрежението в основата, тогава още повече електрони ще се натрупат в P слоя. В резултат на това базовият ток ще се увеличи леко, а колекторният ток ще се увеличи значително. По този начин, с лека промяна в базовия ток I б , токът на колектора I се променя значително СЪС. Така става усилване на сигнала в биполярен транзистор. Съотношението на тока на колектора I C към базовия ток I B се нарича усилване на тока. Определен β , hfeили h21e, в зависимост от спецификата на изчисленията, извършвани с транзистора.

Най-простият биполярен транзисторен усилвател

Нека разгледаме по-подробно принципа на усилване на сигнала в електрическата равнина, използвайки примера на верига. Нека направя резервация предварително, че тази схема не е напълно правилна. Никой не свързва източник на постоянно напрежение директно към източник на променлив ток. Но в този случай ще бъде по-лесно и по-ясно да се разбере самият механизъм на усилване с помощта на биполярен транзистор. Освен това самата техника на изчисление в примера по-долу е донякъде опростена.

1.Описание на основните елементи на веригата

Така че, да кажем, че имаме транзистор с коефициент на усилване 200 (β = 200). От страната на колектора ще свържем сравнително мощен източник на захранване от 20 V, благодарение на чиято енергия ще се получи усилване. От основата на транзистора свързваме слаб източник на захранване от 2V. Към него ще свържем последователно източник на променливо напрежение под формата на синусоида с амплитуда на трептене 0,1V. Това ще бъде сигнал, който трябва да бъде усилен. Резисторът Rb близо до основата е необходим, за да се ограничи токът, идващ от източника на сигнал, който обикновено има ниска мощност.

2. Изчисляване на базовия входен ток I b

Сега нека изчислим базовия ток I b. Тъй като имаме работа с променливо напрежение, трябва да изчислим две стойности на тока - при максимално напрежение (V max) и минимално (V min). Нека наречем тези текущи стойности съответно - I bmax и I bmin.

Освен това, за да изчислите базовия ток, трябва да знаете напрежението база-емитер V BE. Има един PN преход между основата и емитера. Оказва се, че базовият ток "среща" полупроводниковия диод по пътя си. Напрежението, при което един полупроводников диод започва да провежда е около 0,6V. Да не навлизаме в подробности ток-напрежение характеристики на диода, и за простота на изчисленията, ние вземаме приблизителен модел, според който напрежението на диода с ток винаги е 0,6V. Това означава, че напрежението между основата и излъчвателя е V BE = 0,6V. И тъй като емитерът е свързан към земята (V E = 0), напрежението от основата към земята също е 0,6 V (V B = 0,6 V).

Нека изчислим I bmax и I bmin, използвайки закона на Ом:

2. Изчисляване на изходния колекторен ток I СЪС

Сега, знаейки печалбата (β = 200), можете лесно да изчислите максималните и минималните стойности на тока на колектора (I cmax и I cmin).

3. Изчисляване на изходното напрежение V навън

Колекторният ток протича през резистора Rc, който вече изчислихме. Остава да заменим стойностите:

4. Анализ на резултатите

Както може да се види от резултатите, V Cmax се оказа по-малко от V Cmin. Това се дължи на факта, че напрежението на резистора V Rc се изважда от захранващото напрежение VCC. В повечето случаи обаче това няма значение, тъй като се интересуваме от променливата компонента на сигнала - амплитудата, която се е увеличила от 0,1V на 1V. Честотата и синусоидалната форма на сигнала не са се променили. Разбира се, съотношението V out / V от десет пъти далеч не е най-добрият показател за усилвател, но е доста подходящо за илюстриране на процеса на усилване.

Така че, нека обобщим принципа на работа на усилвател, базиран на биполярен транзистор. През основата протича ток I b, носещ постоянни и променливи компоненти. Необходим е постоянен компонент, така че PN преходът между основата и емитера да започне да провежда - "отваря". Променливият компонент всъщност е самият сигнал (полезна информация). Токът колектор-емитер вътре в транзистора е резултат от базовия ток, умножен по усилването β. На свой ред напрежението на резистора Rc над колектора е резултат от умножаването на усиления колекторен ток по стойността на резистора.

Така изводът V out получава сигнал с повишена амплитуда на трептене, но със същата форма и честота. Важно е да се подчертае, че транзисторът взема енергия за усилване от VCC захранването. Ако захранващото напрежение е недостатъчно, транзисторът няма да може да работи напълно и изходният сигнал може да бъде изкривен.

Режими на работа на биполярен транзистор

В съответствие с нивата на напрежение на електродите на транзистора има четири режима на работа:

Режим на изключване.

Активен режим.

Режим на насищане.

Обратен режим.

Режим на изключване

Когато напрежението база-емитер е по-ниско от 0,6 V - 0,7 V, PN преходът между база и емитер е затворен. В това състояние транзисторът няма базов ток. В резултат на това също няма да има колекторен ток, тъй като в основата няма свободни електрони, готови да се придвижат към колекторното напрежение. Оказва се, че транзисторът е сякаш заключен и казват, че е вътре режим на изключване.

Активен режим

IN активен режимНапрежението в основата е достатъчно за отваряне на PN прехода между основата и емитера. В това състояние транзисторът има базови и колекторни токове. Токът на колектора е равен на базовия ток, умножен по усилването. Тоест активният режим е нормалният режим на работа на транзистора, който се използва за усилване.

Режим на насищане

Понякога базовият ток може да е твърде висок. В резултат на това захранващата мощност просто не е достатъчна, за да осигури такава величина на колекторния ток, която да съответства на усилването на транзистора. В режим на насищане колекторният ток ще бъде максималния, който може да осигури захранването и няма да зависи от базовия ток. В това състояние транзисторът не е в състояние да усили сигнала, тъй като токът на колектора не реагира на промените в базовия ток.

В режим на насищане проводимостта на транзистора е максимална и е по-подходяща за функцията на превключвател (превключвател) в състояние "включено". По същия начин, в режим на прекъсване, проводимостта на транзистора е минимална и това съответства на превключвателя в изключено състояние.

Инверсен режим

В този режим колекторът и емитерът сменят ролите си: колекторният PN преход е предубеден в посока напред, а емитерният преход е предубеден в обратна посока. В резултат на това токът тече от основата към колектора. Полупроводниковата област на колектора е асиметрична спрямо емитера и коефициентът на усилване в инверсен режим е по-нисък, отколкото в нормален активен режим. Транзисторът е проектиран по такъв начин, че да работи възможно най-ефективно в активен режим. Следователно транзисторът практически не се използва в обратен режим.

Основни параметри на биполярен транзистор.

Текуща печалба– отношение на колекторния ток I C към базовия ток I B. Определен β , hfeили h21e, в зависимост от спецификата на изчисленията, извършвани с транзистори.

β е постоянна стойност за един транзистор и зависи от физическата структура на устройството. Високото усилване се изчислява в стотици единици, ниското усилване - в десетки. За два отделни транзистора от един и същи тип, дори ако са били „съседи по тръбопровода“ по време на производството, β може да е малко по-различно. Тази характеристика на биполярния транзистор е може би най-важната. Ако други параметри на устройството често могат да бъдат пренебрегнати при изчисленията, тогава текущата печалба е почти невъзможна.

Входен импеданс– съпротивление в транзистора, което “среща” базовия ток. Определен Р в (Р вход). Колкото по-голям е, толкова по-добре за характеристиките на усилване на устройството, тъй като от страната на основата обикновено има източник на слаб сигнал, който трябва да консумира възможно най-малко ток. Идеалният вариант е, когато входният импеданс е безкраен.

R вход за среден биполярен транзистор е няколкостотин KΩ (килоома). Тук биполярният транзистор губи много от транзистора с полеви ефекти, където входното съпротивление достига стотици GΩ (гигаома).

Изходна проводимост- проводимост на транзистора между колектора и емитера. Колкото по-голяма е изходната проводимост, толкова повече ток колектор-емитер ще може да премине през транзистора при по-малка мощност.

Също така, с увеличаване на изходната проводимост (или намаляване на изходното съпротивление), максималното натоварване, което усилвателят може да издържи с незначителни загуби в общото усилване, се увеличава. Например, ако транзистор с ниска изходна проводимост усилва сигнала 100 пъти без товар, тогава когато е свързан товар от 1 KΩ, той вече ще се усили само 50 пъти. Транзистор със същото усилване, но по-висока изходна проводимост ще има по-малък спад на усилването. Идеалният вариант е, когато изходната проводимост е безкрайна (или изходно съпротивление R out = 0 (R out = 0)).