Исследование биполярных транзисторов в схеме включения с общим эмиттером

  • Исследование биполярных транзисторов в схеме включения с общим эмиттером    1. Структура и принцип работы биполярного транзистора

    Биполярный транзистор – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления мощности электрических сигналов.

    Биполярный транзистор состоит из двух p-n переходов и трех областей, чередующихся по типу проводимости. В зависимости от того, какая область является средней, различают биполярные транзисторы двух структур: n-p-n и p-n-p. Устройство и условные обозначения биполярных транзисторов на принципиальных электрических схемах.

    Среднюю область транзистора называют базой, крайние – эмиттером и коллектором. Области эмиттера, коллектора и базы имеют выводы, с помощью которых транзистор включается в электрическую цепь. Контакт, образованный примесными областями эмиттера и базы, называют эмиттерным переходом (ЭП), а контакт, образованный примесными областями коллектора и базы – коллекторным переходом (КП).

    Области транзистора имеют разную концентрацию примеси. Максимальная концентрация примеси делается в эмиттере, а концентрация примеси в базе очень мала (на несколько порядков меньше, чем в эмиттере). Концентрация примеси в коллекторе может быть различной, но обычно область коллектора легирована примесью слабее эмиттера.

    Принцип работы транзистора, например, структуры n-p-n, рассмотрим на примере активного (усилительного) режима работы, когда на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Под действием прямого напряжения Uэб потенциальный барьер в эмиттерном переходе понижается, в то время как под действием обратного напряжения Uкб потенциальный барьер в коллекторном переходе увеличивается. Увеличивается также запирающий слой коллекторного перехода. Поскольку концентрация примесей в базе очень мала, то запирающий слой коллекторного перехода расположен, в основном, в области базы. С понижением потенциального барьера в эмиттерном переходе начинается диффузионное движение основных носителей (электронов в n-p-n транзисторе) из эмиттера в базу. Поскольку ширина базовой области выполняется очень малой (Wб ≈ 1мкм), меньше длины свободного пробега электронов (5 – 10 мкм), то лишь незначительная часть электронов, поступающих из эмиттера в базу, рекомбинирует с дырками базы (всего 1% – 5%). Подавляющее большинство электронов, поставленных эмиттером в базу, доходят до коллекторного перехода. Электроны в базе (p-области) являются неосновными носителями. Известно, что поле обратно смещенного перехода для неосновных носителей является ускоряющим, поэтому электроны, дошедшие до коллекторного перехода, ˝втягиваются˝ в коллектор, создавая ток в коллекторной цепи. Величина коллекторного тока составляет 95% – 99% эмиттерного тока. Из-за частичной рекомбинации электронов и дырок в базе нейтральность базы нарушается. Для ее восстановления от источника Uэб в базу поступает необходимое количество дырок, движение которых создает базовый ток. Из вышеизложенного следует соотношение между токами в транзисторе Iэ = Iк + Iб, причем, Iб << Iк. Ток базы создается только теми носителями, которые рекомбинировали в базе и не дошли до коллекторного перехода.

    Отношение выходного (коллекторного) тока ко входному (эмиттерному) называется коэффициентом передачи по току в схеме с общей базой и обозначается как α или h21Б

    Для большинства выпускаемых промышленностью транзисторов α = 0,9 – 0,99.

    В выходной (коллекторной) цепи транзистора протекает ток, почти равный входному (эмиттерному).

    2. Усилительные свойства транзистора

    Слово ˝транзистор˝ образовано из двух сокращений английских слов и буквально означает «преобразователь сопротивления». Транзистор, структура которого изображена на рисунке 3.3, имеет малое входное сопротивление – сопротивление эмиттерного p-n перехода в прямом включении, составляющее десятки Ом, и очень большое выходное сопротивление – сопротивление обратно смещенного коллекторного p-n перехода, имеющее значение десятки-сотни килоом. К смещенному в обратном направлении коллекторному переходу подводится также гораздо большее напряжение Uкб, чем напряжение во входной цепи Uэб, прикладываемое к эмиттерному переходу в прямом включении, имеющее обычно значение не более одного вольта. Благодаря преобразованию малого входного сопротивления в большое выходное транзистор обладает свойством усиливать входные сигналы. Покажем это на численном примере. Поскольку эмиттерный переход транзистора работает на прямой ветви, для изменения эмиттерного тока, например на 5 мА, нужно изменить входное напряжение Uэб незначительно, например, на 0,1 В. В транзисторе изменения эмиттерного тока практически полностью передаются в коллекторную цепь Δ Iк ≈ Δ Iэ ≈ 5 мА

    Установив в цепи протекания коллекторного тока резистор нагрузки Rк, сопротивление которого значительно меньше выходного сопротивления транзистора – сопротивления обратно смещенного p-n перехода коллектор-база, например 1кОм получим падение напряжения на резисторе Rк.

    Таким образом, при изменении напряжения на входе (в эммитерной цепи) всего на 0,1 В, получается изменение напряжения на выходе (в коллек торной цепи) на 5 В.

    Коэффициент усиления напряжения для данного примера равен 50.

    Работа p-n-p транзистора отличается от n-p-n только противоположной полярностью источников Uэб и Uкб, а физические процессы в них аналогичны.

    3. Схемы включения транзисторов

    При включении в схему транзистора, имеющего три вывода, один из них оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме обычно измеряются относительно этого общего вывода.

    Различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

    В данной статье подробно рассматривается только наиболее распространенная схема включения транзистора с общим эмитте ром (ОЭ).

    Коэффициент усиления по току для схемы ОЭ обозначается.

    Связь выходного (коллекторного) тока с входным (базовым) током в схеме ОЭ можно получить следующим образом

    ( ) IК = IК0 +αI Э = IК0 +α IК + IБ ,

    где IК0 – это ток обратно смещенного коллекторного перехода при отсутствии инжекции из эмиттера, т.е. при Э 0 I = .

    ( ) IК 1−α = IК0 +αIБ ,

    4. Статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ)

    Зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении называется входной характеристикой транзистора.

    Для схемы ОЭ это зависимость I f (U ) UКЭ const Б = БЭ.

    Поскольку напряжение UБЭ приложено к эмиттерному переходу в прямом направлении, то входная характеристика при К 0 U = имеет вид прямой ветви p-n перехода с той разницей, что по оси токов откладывают не ток эмиттера, а его часть ( ) 1−α I Э , т.е. ток базы.

    При подаче на коллекторный переход (КП) обратного напряжения входная характеристика сдвигается вниз. Сдвиг характеристики означает, что при одном и том же напряжении UБЭ ток базы существенно уменьшается. Это происходит вследствие того, что при подаче обратного напряжения на КП ширина запирающего слоя увеличивается, а ширина базовой области уменьшается. В результате уменьшается и число рекомбинировавших носителей, что уменьшает ток базы. Дальнейшее увеличение обратного напряжения UК слабо влияет на ток базы, и входные характеристики при различных обратных напряжениях UК почти сливаются.

    Зависимость К ( К ) при Б const I = f U I = называется выходной характеристикой транзистора. Несколько таких характеристик, снятых при разных базовых токах, составляют семейство выходных характеристик.

    Из соотношения (3.3) следует:

    1) если IБ = −IК0 , то I К = I К0 . Нижняя характеристика соответствует режиму отсечки транзистора: когда оба перехода транзистора смещены в обратном направлении;

    2) если Б 0 I = , то ( ) I К = 1+ β I К0 ;

    3) чем больше ток базы, тем выше идет соответствующая выходная характеристика, т.е. тем больше ток коллектора в соответствии с выражением;

    4) характеристики имеют небольшой наклон к оси напряжений UК.
    Это говорит о том, что коллекторный ток зависит в основном не от коллекторного напряжения, а от степени отпирания эмиттерного перехода, т.е. от величины входного тока базы. Это следует из принципа работы транзистора;

    5) особенностью схемы включения ОЭ является то, что напряжение UБЭ подключено к обоим переходам в прямом направлении. Поэтому напряжение на коллекторном переходе равно
    UКБ обр =UКЭ −UБЭ .

    Пока напряжение на коллекторе UКЭ меньше базового UБЭ , коллекторный переход включен в прямом направлении. Транзистор находится в режиме насыщения, когда оба его перехода оказываются смещенными в прямом направлении. Когда напряжение на коллекторе UКЭ станет больше базового UБЭ (доли вольта), напряжение на коллекторном переходе меняется с прямого на обратное и транзистор входит в активный режим.

    5. Малосигнальные параметры транзистора

    Как было показано, токи и напряжения в транзисторе в общем случае связаны нелинейными функциональными зависимостями. В усилительных каскадах транзистор работает обычно с сигналами, которые в области рабочей точки вызывают малые изменения токов и напряжений. В пределах малых приращений транзистор можно считать линейным прибором. Для оценки свойств транзистора в режиме усиления малых сигналов используются различные малосигнальные параметры. В данном руководстве приводится наиболее распространенная система h –параметров, когда за независимые переменные принимаются входной ток и выходное напряжение. Тогда входные и выходные параметры транзистора связаны следующими уравнениями:
    ΔU1 = h11⋅Δ I1 + h12⋅ΔU2
    ΔI2 = h21⋅ ΔI1 + h22⋅ΔU2
    В этих уравнениях индекс 1 присвоен входным сигналам, а индекс 2 – выходным. Из уравнений можно определить h-параметры и их физический смысл:
    h11 =ΔU1 /Δ I1 при U2 = const – входное сопротивление транзистора,
    h12 =ΔU1 /Δ U2 при I1 = const – коэффициент внутренней обратной связи по напряжению,
    h21 =ΔI2 /ΔI 1 при U2= const – коэффициент усиления по току,
    h22 =Δ I2 /Δ U2 при I1 = const – выходная проводимость.
    Для схемы ОЭ: U1 = UБЭ, U2 = UКЭ, I1 = IБ, I2 = IК , а h параметры обозначаются с индексом «э». Например h11Э, h12Э и т.д.

    6. Основные и предельно допустимые электрические параметры транзистора

    Качество и усилительные свойства биполярных транзисторов оценивают по нескольким параметрам. Наиболее важными из них являются:

    h21Э (β)– коэффициент усиления (или передачи) тока. Статический коэффициент усиления по току h21Э характеризует усилительные свойства транзистора: чем больше значение h21Э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор;

    Iко – обратный ток коллектора. Обратный ток коллектора Iко – это неуправляемый тепловой ток, проходящий через коллекторный переход. Он характеризует качество транзистора: чем он меньше, тем выше качество транзистора;

    fгр – граничная частота. Граничная частота fгр позволяет судить о возможности использования транзистора для усиления тех или иных частот, т.к. с повышением частоты, на которой работает транзистор, коэффициент усиления h21Э уменьшается и на частоте fгр становится равным
    21Эмакс
    21Эмакс 0,707
    2h ≈ h . По величине fгр транзисторы делятся на низкочастотные и высокочастотные.

    Для характеристики предельного режима работы транзистора существуют предельно допустимые параметры:

    Uк.доп – максимально допустимое обратное напряжение на коллекторе ограничивается возможностью пробоя коллекторного перехода;

    Iк.доп – максимально допустимый ток коллектора, который ограничивается опасностью перегорания омического контакта между областью коллектора и его выводом и др.

    Тэги: Транзистор, биполярный, эмиттер