Транзисторы. Классификация транзисторов презентация

Глава 3. 3.1. ТРАНЗИСТОРЫ

3.1.1. Общие сведения о биполярных транзисторах

3.2. Принцип работы биполярного транзистора в активном режиме и соотношения для его токов

3.3. Распределение концентрации носителей в базе. Влияние напряжений на переходах на токи транзистора

3.4 Режимы работы биполярного транзистора

Определить режим работы транзистора В качестве примера рассмотрим n-p-n-транзистор (рис. 4.2), у которого напряжение между базой и эмиттером Uбэ = 0.6 В, а напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ = 0.4 В. Так как Uбэ = 0,6 В положительно , то эмиттерный переход смещен в прямом направлении. Согласно второму закону Кирхгофа , откуда напряжение между базой и коллектором Рис. 4.2. Схема, поясняющая работу n-p-n-транзистора в режиме насыщения Так как Uбк = 0.2 В положительно, то и коллекторный переход смещен в прямом направлении. Следовательно, транзистор работает в режиме насыщения. Режимы отсечки и насыщения используются при работе БТ в ключевых схемах, где реализуются два устойчивых состояния: «включено» (режим насыщения), «выключено» (режим отсечки). Активный режим – при работе БТ в усилителях и генераторах; инверсный активный режим – в схемах двунаправленных переключателей, построенных на основе симметричных n+-p-n+- и p+-n-p+- транзисторов , имеющих одинаковую степень легирования эмиттера и коллектора.

3.5 Схемы включения биполярного транзистора

3.6 Математическая модель транзистора

3.7 Вольтамперные характеристики (ВАХ) биполярного транзистора

Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с ОЭ

Схемы замещения и параметры транзистора Физические эквивалентные схемы транзистора и их параметры

Формальные схемы замещения транзистора и их параметры

Методика графического определения h – параметров транзистора

Зависимости характеристик и параметров транзистора от температуры и положения рабочей точки

Собственные шумы электронных приборов.

Способы оценки шумов.

Работа транзистора в усилительном режиме

8.2 Работа транзистора в режиме переключения

3.1. Структура и основные режимы работы Биполярный транзистор (обычно его называют просто транзистором) – это полупроводниковый прибор с двумя или более взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. Транзистор (полупроводниковый триод) был создан американскими учеными Дж. Бардином, В. Браттейном и У. Шокли в 1948 году. Это событие имело громадное значение для полупроводниковой электроники. Транзисторы могут работать при значительно меньших напряжениях, чем ламповые триоды, и не являются простыми заменителями последних, а их можно использовать помимо усиления и генерирования сигналов переменного тока в качестве ключевых элементов. Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, к которых принимают участие носители заряда, как электроны, так и дырки. Структура биполярного транзистора изображена на рис. 3.1. Он представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы три области с чередующимися типами электропроводности. На границах этих областей возникают электронно-дырочные переходы. От каждой области полупроводника сделаны токоотводы (омические контакты). Среднюю область транзистора, расположенную между электронно-дырочными переходами, называют базой (Б). Примыкающие к базе области обычно делают неодинаковыми. Одну из областей делают так, чтобы из неё наиболее эффективно проходила инжекция носителей в базу, а другую – так, чтобы p-n-переход между базой и этой областью наилучшим образом собирал инжектированные в базу носители, то есть осуществлял экстракцию носителей из базы. Рис. 3.1. Схематическое изображение структуры биполярного транзистора Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а p-n-переход между базой и эмиттером – эмиттерным (ЭП). Область транзистора, основным назначением которой является собирание, экстракция носителей заряда из базы, называют коллектором (К), а p-n-переход между базой и коллектором – коллекторным (КП). В зависимости от типа электропроводности крайних слоев (эмиттера и коллектора) различают транзисторы p-n-p и n-p-n типа. В обоих типах транзисторов физические процессы аналогичны, они различаются только типом инжектируемых и экстрагируемых носителей и имеют одинаково широкое применение. На принципиальных электрических схемах транзисторы изображают условными графическими обозначениями, представленными на рис. 3.2. Рис. 3.2. Условные обозначения транзисторов: а – транзистор p-n-p типа; б – транзистор n-p-n типа Конструктивно биполярные транзисторы оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах (рис. 3.3). Рис. 3.3. Конструктивное оформление биполярного транзистора

Режимы работы биполярного транзистора При работе транзистора к его электродам прикладываются напряжения от внешних источников питания. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, каждый из p-n-переходов может быть смещен в прямом или в обратном направлении, исходя из этого, возможны четыре режима работы транзистора (табл. 3.1). Таблица 3.1 Режимы работы биполярного транзистора Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на коллекторном переходе напряжение обратное, и он собирает носители из базы, то такое включение транзистора называют нормальным, а транзистор работает в активном (усилительном) режиме. В режиме насыщения оба p-n-перехода включены в прямом направлении, переходы насыщены подвижными носителями заряда, их сопротивления малы. В режиме отсечки оба p-n-перехода включены в обратном направлении. В электродах транзистора протекают тепловые токи обратновключенных переходов. Если же на коллекторном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на эмиттерном переходе напряжение обратное, и он осуществляет экстракцию носителей из базы, то такое включение транзистора называют инверсным, а транзистор работает в инверсном режиме. При инверсном включении транзистора необходимо учитывать следующие особенности: Поскольку эмиттерный переход по площади меньше, чем коллекторный, то из того количества носителей, которые инжектируются коллекторным переходом, меньшее количество собирается эмиттерным переходом, что снижает величину тока этого перехода. Это приводит к изменению заряда носителей в базе и, следовательно, к изменению барьерной ёмкости переходов, т. е. к изменению частотных свойств транзистора. При меньшей площади эмиттерного перехода необходимо снижать величину его тока, чтобы оставить прежней температуру нагрева полупроводниковой структуры.

Биполярные транзисторы широко используются в цифровой технике в качестве электронных ключей. В этих устройствах используются сигналы в виде почти прямоугольных (трапецеидальных) импульсов большой амплитуды. В общем случае для описания работы транзистора в импульсном (ключевом) режиме необходимо использовать нелинейные динамические модели транзистора (например, динамические компьютерные модели Эберса - Молла). Однако в большинстве случаев ограничиваются расчетом амплитуды и длительности фронтов импульсных сигналов. Рассмотрим схему транзисторного ключа на биполярном транзисторе (рис. 3.47). В цепь базы транзистора включен источник импульсных сигналов - генератор прямоугольных импульсов uГ с внутренним сопротивлением RГ. В цепи коллектора включена нагрузка RК и поэтому напряжение на коллекторе uКЭ = EК - iКRК. Ограничим рассмотрение работы схемы случаем включения в цепь базы генератора тока, то есть будем предполагать, что внутреннее сопротивление генератора RГ значительно больше входного сопротивления открытого транзистора и, следовательно , . При анализе схеме учтены также влияние емкостей CЭ - эмиттерного и CК - коллекторного переходов. Временные диаграммы, отражающие процессы, протекающие в схеме, представлены на рис. 3.48. До момента времени t0 uГ = EГ ОБР и токи iБ и iК равны нулю (тепловыми токами в цепи коллектора пренебрегаем). Это исходное состояние иллюстрирует точка А (рис.3.49). Она находится на пересечении нагрузочной линии с выходной характеристикой, снятой при iБ=0 (транзистор находится в режиме отсечки). В момент времени t0 включается напряжение uГ ПР и в цепи базы возникает ток (рис.3.48,,б). При этом ток коллектора iК возникает с задержкой t З (рис.3.48,г). Время задержки t З определяется тем, что коллекторный ток может появиться только после того, как электроны, переходящие из эмиттера в базу, достигнут коллекторного перехода. Это станет возможным, когда напряжение на эмиттерном переходе, по мере заряда барьерных емкостей , достигнет пороговой величины U*, и он откроется. Практически интервал t З мал , и им часто пренебрегают. В интервале времени t2 - t1 = t ф, называемым временем фронта, коллекторный ток возрастает по экспоненциальному закону и достигает установившейся величины . Увеличение коллекторного тока определяется увеличением прямого напряжения на эмиттерном переходе (заряжается емкость CЭ) и увеличением количества электронов, переходящих из эмиттера в базу и далее в коллектор ( заряд электронов в базе QБ возрастает - рис. 3.48,в). Рабочая точка (рис. 3.49) перемещается вверх по нагрузочной линии (транзистор находится в активном режиме). В зависимости от величины конечное положение рабочей точки может быть или в активном режиме, или в режиме насыщения. Практический интерес представляет случай, когда рабочая точка глубоко заходит в режим насыщения. Таким образом, напряжение uГ должно быть таким по величине, чтобы обеспечить IБ ПР > IБ min. ( IБ min - минимальное значение тока базы, при котором транзистор переходит в режим насыщения). Величину называют глубиной насыщения. Время фронта t ф зависит, как отмечалось выше, от времени заряда емкости CЭ, а также от времени разряда емкости CК, так как по мере роста i К напряжение u КЭ уменьшается (рис.3.48 д). Кроме того, на величину времени t ф оказывает влияние величина IБ ПР , так как от величины базового тока зависит скорость заряда емкости CЭ. Зависимость тока коллектора в интервале t ф от времени аппроксимируют обычно выражением: (3.77) где IК ПР = h21ЭIБ ПР - величина тока коллектора, соответствующая току базы IБ ПР в статическом режиме ( физически ток IК ПР может быть достигнут, если транзистор не переходит в режим насыщения IБ ПР < IБ min); - постоянная времени нарастания тока коллектора в схеме ОЭ с учетом перезаряда емкости CК (см.3.76). Длительность фронта t ф равна: . (3.78) Из (3.78) следует, что , так как фронт заканчивается при переходе транзистора в режим насыщения. Длительность фронта уменьшается при увеличении IБ ПР . В последующие после t2 моменты времени ток коллектора iК и напряжение uКЭ остаются постоянными, однако заряд в базе транзистора QБ продолжает нарастать (рис. 3.48,в) за счет инжекции электронов через открытые эмиттерный и коллекторный переходы (транзистор работает в режиме насыщения и токи определяются внешними по отношению к транзистору элементами схемы). Рассмотрим теперь процессы, происходящие в схеме после переключения напряжения генератора на uОБР (момент времени t3,(рис.3.48,а), В интервале времени t3 - t4 , называемом временем рассасывания t рас, происходит рассасывание накопленного в базе заряда электронов, заряд уменьшается вследствие рекомбинации и ухода электронов во внешнюю цепь, что сопровождается появлением тока I Б ОБР (рис.3.48,б). Транзистор насыщен, при этом коллекторный переход остается в открытом состоянии и в цепи коллектора течет ток К НАС. Ток базы IБ ОБР также определяется внешней цепью. В момент времени t4 заряд в базе QБ уменьшается до значения QБ АКТ и коллекторный переход закрывается (транзистор переходит в активный режим работы). В интервале времени t4 - t5 , называемом временем среза t с , происходит дальнейшее рассасывание заряда QБ , разряжается СЭ, заряжается емкость СК , рабочая точка перемещается из положения В в положение А (рис. 3.49). Транзистор переходит в режим отсечки (оба перехода заперты), ток коллектора iК и ток базы iБ ОБР уменьшаются до нуля, а напряжение uКЭ возрастает до величины EК. Величины t рас и t с могут быть найдены из выражений, справедливых при IБ ОБР >>IБ min: ; (3.79) , (3.80) где: t n - время жизни электронов в базе в режиме насыщения; . Из (3.79) следует, что для уменьшения времени рассасывания необходимо уменьшать время жизни неосновных носителей t n (электронов) в базе (для этого структуры импульсных транзисторов легируют золотом). Кроме того, можно уменьшать IБ ПР (хотя при этом будет увеличиваться время фронта t ф) и увеличивать IБ ОБР . Величины t з, t ф, t рас, t с для импульсных транзисторов приводятся в справочной литературе, а формулы (3.77...3.80) используются для пересчета параметров в конкретных схемах. Измерения произведены при одних значениях IБ ПР ,IБ ОБР , IБ min, а параметры нужны при других. Для современных быстродействующих маломощных импульсных транзисторов t з, t ф, t рас, t с составляют единицы и десятые доли наносекунд (для мощных - существенно больше).