Режим насыщения биполярного транзистора: Режим отсечки и насыщения транзистора — Мир Антенн

Содержание

Режим отсечки и насыщения транзистора

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Где U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора; R_К – сопротивление нагрузки в коллекторной цепи.

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

Из (4.5.3) следует, что

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

Зона, расположенная между осью абсцисс и начальной выходной характеристикой, соответствующей I_б=0, называется зоной отсечки и характеризуется тем, что оба перехода транзистора – эмиттерный и коллекторный смещены в обратном направлении. Коллекторный ток при этом представляет собой обратный ток коллекторного перехода – I_К0, который очень мал и поэтому почти все напряжение источника питания E_К падает между эмиттером и коллектором закрытого транзистора:

А падение напряжения на нагрузке очень мало и равно:

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

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

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

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

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

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

Устройство биполярного транзистора.

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

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

Работа биполярного транзистора.

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

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

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

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

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

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

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I B , сильно меняется ток коллектора I С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

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

1.Описание основных элементов цепи

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

2. Расчет входного тока базы I

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min). Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

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

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I

_С

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

3. Расчет выходного напряжения V

_out

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

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

4. Анализ результатов

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

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

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

Режим отсечки

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

Активный режим

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

Режим насыщения

Инверсный режим

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

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

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

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

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

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

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

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

Расчет биполярного транзистора в ключевом режиме с резистивной нагрузкой

Упрощенный расчет транзистора для работы в ключевом режиме на резистивную нагрузку.

Ключевой режим работы характеризуется тем, что транзистор находится в одном из двух состояний: в полностью открытом (режим насыщения), или полностью закрытом (состояние отсечки).

Рассмотрим пример, где в качестве нагрузки выступает контактор типа КНЕ030 на напряжение 27В с катушкой сопротивлением 150 Ом. Индуктивным характером катушки в данном примере пренебрежем, считая, что реле будет включено раз и надолго.

Рассчитываем ток коллектора:

Ik=(Ucc—Uкэнас)/Rн , где

Ik –ток коллектора

Ucc- напряжение питания (27В)

Uкэнас- напряжение насыщения биполярного транзистора (типично от 0.

2 до 0.8В, хотя и может прилично различаться для разных транзисторов), в нашем случае примем 0.4В

Rн- сопротивление нагрузки (150 Ом)

Итак,

Ik= (27-0.4)/150 = 0.18A = 180мА

На практике из соображений надежности элементы всегда необходимо выбирать с запасом. Возьмем коэффициент 1.5

Таким образом, нужен транзистор с допустимым током коллектора не менее 1.5*0.18=0.27А и максимальным напряжением коллектор-эмиттер не менее 1.5*27=40В.

Открываем справочник по биполярным транзисторам . По заданным параметрам подходит КТ815А (Ikмакс=1.5А Uкэ=40В)

Следующим этапом рассчитываем ток базы, который нужно создать, чтобы обеспечить ток коллектора 0.18А.

Как известно, ток коллектора связан с током базы соотношением

Ik=Iб*

h21э,

где h31э – статический коэффициент передачи тока.

При отсутствии дополнительных данных можно взять табличное гарантированное минимальное значение для КТ815А (40). Но для КТ815 есть график зависимости h31э от тока эмиттера. В нашем случае ток эмиттера 180мА, этому значению соответствует h31э=60. Разница невелика, но для чистоты эксперимента возьмем графические данные.

Итак,

Iб=180/60=3мА

Для расчета базового резистора R1 смотрим второй график, где приведена зависимость напряжения насыщения база-эмиттер (Uбэнас) от тока коллектора. При токе коллектора 180мА напряжение насыщения базы будет 0.78В (При отсутствии такого графика можно использовать допущение, что ВАХ перехода база-эмиттер подобна ВАХ диода и в диапазоне рабочих токов напряжение база-эмиттер находится в пределах 0.6-0.8 В)

Следовательно, сопротивление резистора R1 должно быть равно:

R1=(Uвх-Uбэнас)/Iб = (5-0.78)/0.003 = 1407 Ом = 1.407 кОм.

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайшее в меньшую сторону (1.3 кОм)

Если к базе подключен шунтирующий резистор (вводится для более быстрого выключения транзистора или для повышения помехоустойчивости) нужно учитывать, что часть входного тока уйдет в этот резистор, и тогда формула примет вид:

R1= (Uвх-Uбэнас)/(Iб+I_R₂) = (Uвх-Uбэнас)/(Iб+ Uбэнас/

R2)

Так, если R2=1 кОм, то

R1= (5-0.78)/(0.003+0.78/1000) = 1116 Ом = 1.1 кОм

Рассчитываем потери мощности на транзисторе:

P=Ik*Uкэнас

Uкэнас берем из графика: при 180мА оно составляет 0.07В

P= 0.07*0.18= 0.013 Вт

Мощность смешная, радиатора не потребуется.

Активный режим работы биполярного транзистора

Добавлено 30 сентября 2017 в 15:13

Сохранить или поделиться

Когда транзистор находится в полностью выключенном (закрытом) состоянии (как разомкнутый ключ), говорится, что он в режиме отсечки. И наоборот, когда он полностью проводит ток между эмиттером и коллектором (пропускает ток такой величины, какую могут позволить источник питания и нагрузка), говорится, что он находится в режиме насыщения. Эти два режима работы были изучены ранее при использовании транзистора в качестве ключа.

Однако биполярные транзисторы не должны ограничиваться этими двумя экстремальными режимами работы. Как мы узнали в предыдущем разделе, ток базы «открывает клапан» для ограниченного количества тока через коллектор. Если это ограничение для управляемого тока больше нуля, но меньше максимального значения, разрешенного источником питания и схемой нагрузки, транзистор «удерживает» значение тока коллектора в режиме где-то между режимами отсечки и насыщения. Этот режим работы называется активным режимом.

По аналогии с автомобилем: отсечка – это состояние отсутствия движущей силы, создаваемой механическими частями автомобиля, чтобы заставить его двигаться. В режиме отсечки включается тормоз (нулевой ток базы), предотвращающий движение (ток коллектора). Активный режим – это режим круиз-контроль автомобиля на постоянной контролируемой скорости (постоянный, контролируемый ток коллектора), которую устанавливает водитель.

Насыщение – это подъем автомобиля на крутой холм, который мешает ему двигаться так быстро, как пожелает водитель. Другими словами «насыщенный» автомобиль – это автомобиль с полностью вдавленной в пол педалью газа (ток базы допускает протекание тока коллектора, большего, чем может быть обеспечено схемой источника питания и нагрузки).

Давайте соберем схему для моделирования в SPICE, чтобы продемонстрировать, что происходит, когда транзистор находится в активном режиме работы.

Схема для SPICE моделирования «активного режима» (список соединений приведен ниже)

bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 20u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 2 0.05 
.plot dc i(vammeter) 
.end

«Q» – это стандартное буквенное обозначение для транзистора на принципиальной схеме (в России по ГОСТу принято обозначение VT), так же как «R» для резистора, а «C» для конденсатора. В этой схеме у нас есть NPN-транзистор, питаемый от батареи (V

1) и управляемый источником тока (I₁). Источник тока – это устройство, которое выдает заданную величину тока, генерируя такое напряжение на своих выводах, которое необходимо, чтобы обеспечить точную величину тока, протекающего через него. Как известно, источники тока трудно найти в природе (в отличие от источников напряжения, которые, наоборот, пытаются поддерживать постоянное значение напряжения, выдавая необходимое значение тока для выполнения этой задачи), но могут быть смоделированы с помощью небольшого набора электронных компонентов. Как мы сейчас увидим, транзисторы сами имеют тенденцию имитировать поведение, поддерживающее постоянную величину тока, как и источники тока, с помощью своей способности стабилизировать ток на фиксированном значении.

При SPICE моделировании мы установим источник тока в постоянное значение 20 мкА, затем будем изменять напряжение источника напряжения (V1) в диапазоне от 0 до 2 вольт и наблюдать, какой ток будет проходить через него. «Фиктивная» батарея (V

амперметр) на рисунке выше с выходным напряжением 0 вольт служит только для того, чтобы предоставить SPICE программе элемент схемы для измерения тока.

Изменение напряжения коллектора от 0 до 2 В при постоянном токе базы 20 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 2 мА в режиме насыщения

Постоянный ток базы 20 мкА устанавливает предельное значение для тока коллектора в 2 мА, что в точности в 100 раз больше. Обратите внимание, как выравнивается график тока коллектора (на рисунке выше) при изменении напряжения батареи от 0 до 2 вольт. Единственные исключение из этого совершенно ровного графика – в самом начале, когда напряжение батареи увеличивается от 0 до 0,25 вольта. На этом участке ток коллектора быстро растет от 0 до предельных 2 мА.

Посмотрим, что произойдет, если мы будем изменять напряжение батареи в более широком диапазоне, на этот раз от 0 до 50 вольт. Ток базы будем поддерживать на постоянном уровне 20 мкА (рисунок ниже).

Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В при постоянном токе базы 20 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 2 мА (список соединений приведен ниже)

bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 20u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2
.plot dc i(vammeter) 
.end

Тот же результат! Ток коллектора на рисунке выше удерживается точно на значении 2 мА, хотя напряжение (V1) изменяется от 0 до 50 вольт. Из нашего примера моделирования видно, что напряжение коллектор-эмиттер мало влияет на ток коллектора, за исключением очень низких уровней (чуть выше 0 вольт). Транзистор действует как стабилизатор тока, обеспечивая протекание через коллектор тока величиной 2 мА и не более.

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы будем увеличивать управляющий ток (I1) от 20 мкА до 75 мкА, снова изменяя напряжение батареи (V1) от 0 до 50 вольт, и выводя на график значения тока коллектора (рисунок ниже).

Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В (.dc v1 0 50 2) при постоянном токе базы 75 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 7,5 мА. Другие графики генерируются при изменении значений тока (i1 15u 75u 15u) в операторе анализа DC (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u) (список соединений приведен ниже)

bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 75u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u
.plot dc i(vammeter)
.end

Неудивительно, что SPICE дает нам аналогичный график: прямая линия, закрепившаяся на этот раз на 7,5 мА – ровно в 100 раз больше тока базы – в диапазоне напряжений батареи от чуть выше 0 вольт до 50 вольт. По-видимому, ток базы является решающим фактором для тока коллектора, напряжение батареи V1 не имеет значения, если оно превышает определенный минимальный уровень.

Эта связь между напряжением и током полностью отличается от того, что мы привыкли видеть на резисторе. Для резистора ток увеличивается линейно по мере увеличения напряжения. Здесь, для транзистора, ток от эмиттера к коллектору остается ограниченным на фиксированном максимальном значении независимо от того, насколько сильно увеличивается напряжение между эмиттером и коллектором.

Часто полезно накладывать несколько характеристик зависимости ток коллектора / напряжение для разных токов базы на одном графике, как на рисунке ниже. Набор характеристик, подобный этому (для каждого значения тока базы построен отдельный график), для конкретного транзистора называется выходными характеристиками транзистора:

Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером для разных токов базы

Каждая кривая на графике отражает ток коллектора транзистора, построенный для диапазона напряжений коллектор-эмиттер, для заданного значения тока базы. Поскольку транзистор стремится действовать как стабилизатор тока, ограничивая ток коллектора до пропорции, установленной током базы, полезно выразить эту пропорцию в качестве стандартного показателя работы транзистора. В частности, отношения тока коллектора к току базы известно как коэффициент бета (обозначенный греческой буквой β):

\[\beta = {I_{коллектор} \over I_{база}}\]

β также известен как h_fe или h_21э

Иногда коэффициент β обозначается как «h_fe» или «h_21э«, метка, используемая в ветви математического анализа полупроводниковых приборов, известной как «гибридные параметры» или h-параметры, которая стремится достичь точных прогнозов работы транзисторов с помощью подробных уравнений. Переменных гибридных параметров много, но каждый из них обозначается буквой «h» и конкретным индексом. Переменная «h_fe» («h_21э«) представляет собой просто еще один (стандартизированный) способ выражения отношения тока коллектора к току базы и взаимозаменяема с “β”. Коэффициент β является безразмерной величиной.

β для любого транзистора определяется его конструкцией: он не может быть изменен после изготовления. Редко бывает, что β у двух транзисторов одной и той же конструкции точно совпадают из-за различий физических переменных, влияющих на этот коэффициент. Если работа схемы зависит от равенства β у нескольких транзисторов, за дополнительную плату могут быть приобретены «согласованные наборы» транзисторов. Однако, как правило, проектирование с такими зависимостями считается плохой практикой.

β транзистора не остается одинаковым во всех условиях эксплуатации. Для реального транзистора коэффициент β может изменяться в 3 раза в пределах его рабочих токов. Например, транзистор с объявленным значением β, равным 50, в реальных тестах отношения I_к/I_б может дать значения от 30 до 100, в зависимости от величины тока коллектора, температуры транзистора, частоты усиливаемого сигнала и других факторов. Для целей обучения для любого заданного транзистора достаточно принимать коэффициент β постоянным; и понимать, что реальная жизнь не так проста!

Иногда для понимания полезно «моделировать» сложные электронные компоненты с помощью набора более простых и понятных компонентов. Модель на рисунке ниже используется во многих вводных текстах по электронике.

Простая диодно-резисторная модель транзистора

Эта модель отображает транзистор как комбинацию диода и реостата (переменного резистора). Ток через диод база-эмиттер управляет сопротивлением реостата коллектор-эмиттер (как подразумевается пунктирной линией, соединяющей два компонента), тем самым контролируя ток коллектора. На рисунке приведена модель NPN-транзистора, но PNP-транзистор будет отличаться не сильно (будет изменено только направление диода база-эмиттер). Эта модель преуспевает в пояснении базовой концепции усиления транзистора: как сигнал тока базы может осуществлять управление током коллектора. Однако мне эта модель не нравится, потому что она неверно передает понятие установленного значения сопротивления коллектор-эмиттер для заданного значения тока базы. Если бы она была верна, транзистор не стабилизировал бы ток коллектора, как показывают графики выходных характеристик. Вместо характеристик тока коллектора, выровненных на графике после быстрого роста по мере увеличения напряжения коллектор-эмиттер, ток коллектора продолжал бы расти прямо пропорционально напряжению коллектор-эмиттер, и мы бы увидели на графике неуклонно растущие прямые.

В более продвинутых учебниках часто встречается более подходящая модель транзистора (рисунок ниже).

Модель транзистора на основе источника тока

Она отображает транзистор в виде комбинации диода и источника тока, причем выход источника тока задается умножением тока базы на коэффициент β. Эта модель гораздо более точна при отображении истинных входных/выходных характеристик транзистора: ток базы устанавливает определенное значение тока коллектора, а не определенное сопротивление коллектор-эмиттер, как предполагает первая модель. Кроме того, эта модель предпочтительна при проведении анализа транзисторных схем, причем источник тока является хорошо понятным теоретическим компонентом. К сожалению, использование источника тока для моделирования контролирующего ток поведения транзистора может вводить в заблуждение: транзистор никогда не будет служить источником электрической энергии. Источник тока не моделирует тот факт, что его источником энергии является внешний источник питания, как у усилителя.

Подведем итоги:

Говорят, что транзистор находится в активном режиме, если он работает где-то между полностью открытым режимом (насыщение) и полностью закрытым режимом (отсечка).
Ток базы регулирует ток коллектора. Под регулированием мы подразумеваем, что ток коллектора не может превышать значение, которое устанавливаемое током базы.
Отношение между током коллектора и током базы называется «бета» (β) или h_fe или h_21э.
Коэффициенты β у всех транзисторов различны; β изменяется в зависимости от условий эксплуатации.

Оригинал статьи:

Напряжение насыщения биполярного транзистора

Автор На чтение 12 мин. Опубликовано 12.12.2019

Home Радиотехника Транзисторы – режим насыщения

Между простой переключающей схемой и линейным усилителем на транзисторе имеется очевидное различие. В нормально работающем линейном усилителе коллекторный ток всегда прямо пропорционален базовому току. В переключающей схеме, такой как на рис. 1., коллекторный ток определяется, главным образом, напряжением питания V_CC и сопротивлением нагрузки R_L. Режим насыщения транзистора является достаточно важным и заслуживает подробного обсуждения.

Рис. 1. Иллюстрация режима насыщения. Транзистор действует как ключ для включения лампы.

Рассмотрим, что происходит с коллекторным током в схеме на рис. 1, если базовый ток постепенно увеличивается, начиная от нуля. Когда ключ S₁ разомкнут, базовый ток не течет и ток коллектора ничтожно мал. Замыкание S₁ приводит к появлению тока базы I_B = V_CC/R_B, где мы пренебрегли разностью потенциалов на переходе база-эмиттер. Ток коллектора, протекающий по нагрузке R_L, равен I_C=h_FEV_CC/R_B. Для конкретной схемы, приведенной на рисунке, при h_FE = 100 и при максимальном значении R_B (50 кОм) получим:

I_C=100×10/5000 А=20 мА

Падение напряжения на R_L определяется произведением R_LI_C и в нашем случае равно 50 х 0,02 = 1 В. Транзистор при этом находится в линейном режиме; уменьшение R_B приводит к увеличению тока базы, увеличению тока коллектора и, следовательно, к увеличению падения напряжения на R_L. В этих условиях схема могла бы быть использована как усилитель напряжения.

Теперь рассмотрим случай, когда

и ток базы равен

Следовательно, коллекторный ток равен

С точки зрения нагрузки транзистор ведет себя как пара контактов ключа. Из закона Ома следует, что ток нагрузки в этой ситуации не может превышать величины V_CC/R_L. Поэтому дальнейшее увеличение тока базы не может увеличить ток коллектора, который определяется теперь только сопротивлением нагрузки и напряжением питания. Транзистор находится в насыщении. На практике при насыщении транзистора между коллектором и эмиттером всегда остается небольшое напряжение, обычно обозначаемое V_CE(sat). Как правило, оно меньше 1 В и может доходить до 0,1 B y транзисторов, специально предназначенных для работы в качестве ключей. Обычно V_CE(sat) уменьшается по мере того, как через переход база-эмиттер течет все больший ток, то есть в случае, когда отношение тока коллектора I_C к току базы I_B становится значительно меньше, чем коэффициент усиления тока транзистора h_FE.

Грубо говоря, глубокое насыщение (малое значение V_CE(sat)) имеет место, когда

2. Расчет входного тока базы Ib

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

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора iс

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи – это напряжение на коллекторе V_C.

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

4. Анализ результатов

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

Режим отсечки (cut off mode).

Активный режим (active mode).

Режим насыщения (saturation mode).

Инверсный ражим (reverse mode ).

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

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначаетсяβ, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

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

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

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

Электроника, электротехника. Профессионально-любительские решения.

Если рассматривать механические аналоги, то работа транзисторов напоминает принцип действия гидравлического усилителя руля в автомобиле. Но, сходство справедливо только при первом приближении, поскольку в транзисторах нет клапанов. В этой статье мы отдельно рассмотрим работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Основой устройства биполярного транзистора является полупроводниковый материал. Первые полупроводниковые кристаллы для транзисторов изготавливали из германия, сегодня чаще используется кремний и арсенид галлия. Сначала производят чистый полупроводниковый материал с хорошо упорядоченной кристаллической решеткой. Затем придают необходимую форму кристаллу и вводят в его состав специальную примесь (легируют материал), которая придаёт ему определённые свойства электрической проводимости. Если проводимость обуславливается движением избыточных электронов, она определяется как донорная (электронная) n-типа. Если проводимость полупроводника обусловлена последовательным замещением электронами вакантных мест, так называемых дырок, то такая проводимость называется акцепторной (дырочной) и обозначается проводимостью p-типа.

Рисунок 1.

Кристалл транзистора состоит из трёх частей (слоёв) с последовательным чередованием типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Переходы одного слоя в другой образуют потенциальные барьеры. Переход от базы к эмиттеру называется эмиттерным (ЭП), к коллектору – коллекторным (КП). На рисунке 1 структура транзистора показана симметричной, идеализированной. На практике при производстве размеры областей значительно ассиметричны, примерно как показано на рисунке 2. Площадь коллекторного перехода значительно превышает эмиттерный. Слой базы очень тонкий, порядка нескольких микрон.

Рисунок 2.

Принцип действия биполярного транзистора

Любой p-n переход транзистора работает аналогично диоду. При приложении к его полюсам разности потенциалов происходит его «смещение». Если приложенная разность потенциалов условно положительна, при этом p-n переход открывается, говорят, что переход смещён в прямом направлении. При приложении условно отрицательной разности потенциалов происходит обратное смещение перехода, при котором он запирается. Особенностью работы транзистора является то, что при положительном смещении хотя бы одного перехода, общая область, называемая базой, насыщается электронами, или электронными вакансиями (в зависимости от типа проводимости материала базы), что обуславливает значительное снижение потенциального барьера второго перехода и как следствие, его проводимость при обратном смещении.

Режимы работы

Все схемы включения транзистора можно разделить на два вида: нормальную и инверсную.

Рисунок 3.

Нормальная схема включения транзистора предполагает изменение электрической проводимости коллекторного перехода путём управления смещением эмиттерного перехода.

Инверсная схема, в противоположность нормальной, позволяет управлять проводимостью эмиттерного перехода посредством управления смещением коллекторного. Инверсная схема является симметричным аналогом нормальной, но в виду конструктивной асимметрии биполярного транзистора малоэффективна для применения, имеет более жёсткие ограничения по максимально допустимым параметрам и практически не используется.

При любой схеме включения транзистор может работать в трёх режимах: Режим отсечки, активный режим и режим насыщения.

Для описания работы направление электрического тока в данной статье условно принято за направление электронов, т.е. от отрицательного полюса источника питания к положительному. Воспользуемся для этого схемой на рисунке 4.

Рисунок 4.

Режим отсечки

Для p-n перехода существует значение минимального напряжения прямого смещения, при котором электроны способны преодолеть потенциальный барьер этого перехода. То есть, при напряжении прямого смещения до этой пороговой величины через переход не может протекать ток. Для кремниевых транзисторов величина такого порога равна примерно 0,6 В. Таким образом, при нормальной схеме включения, когда прямое смещение эмиттерного перехода не превышает 0,6 В (для кремниевых транзисторов), ток через базу не протекает, она не насыщается электронами, и как следствие отсутствует эмиссия электронов базы в область коллектора, т.е. ток коллектора отсутствует (равен нулю).

Таким образом, для режима отсечки необходимым условием являются тождества:

схемы включения. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.7.

Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные . На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Рис.8. Схема

измерений статических

параметров транзистора с ОЭ.

Входная статическая характеристика I Б от входного напряжения U БЭ при постоянном выходном напряжении U КЭ . Для схемы с общим эмиттером:

I Б = f (U БЭ) при U ЭК = const.

Поскольку ветви входной статической характеристики для U КЭ > 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9а ). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U 1 (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).

Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока I К от выходного напряжения U КЭ при постоянном входном токе I Б . Для схемы включения с общим эмиттером:

I К = f (U КЭ) при I Б = const.

Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера I Э .

Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор R К , за счёт которого изменение входного тока или напряжения U ВХ будет вызывать изменение выходного напряжения U ВЫХ = U КЭ (Рис.10).

Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.

Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока I Б от входного напряжения U БЭ при наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:

I Б = f (U БЭ)

Поскольку в статическом режиме для U КЭ > 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис.11а ).

Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.

Выходная динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения U КЭ от выходного тока I К при фиксированных значениях входного тока I Б (Рис.11б ):

U КЭ = E К – I К R К

Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А , В на Рис.11б .

Координаты точки А [U КЭ = 0; I K = Е К ⁄ R К ] – на оси I K .

Координаты точки В [I K = 0; U КЭ = Е К ] – на оси U КЭ.

Координаты точки Р [U 0К; I 0 K ] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).

Рис.11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.

Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.

В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).

Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току I К0 , а напряжение U КЭ = E К.

Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.

I Б = max; I К ≈ I КН; U КЭ = E К – I КН R Н; U КЭ → 0.

Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: I К доп, U КЭ доп, P К доп (Рис.11б ) и I Б нас, U БЭ доп (Рис.11а ) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.

Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.

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

Устройство биполярного транзистора.

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

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

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

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

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

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I BE , и большой — от коллектора к эмиттеру I CE .

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I B , сильно меняется ток коллектора I С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе . Cоотношение тока коллектора I С к току базы I B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β , hfe или h31e , в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

1.Описание основных элементов цепи

2. Расчет входного тока базы I b

Теперь посчитаем ток базы I b . Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V max) и минимальном (V min). Назовем эти значения тока соответственно — I bmax и I bmin .

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

Посчитаем I bmax и I bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I С

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

3. Расчет выходного напряжения V out

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

4. Анализ результатов

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

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

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

Режимы работы биполярного транзистора

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

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

Режим отсечки

Активный режим

Режим насыщения

Инверсный режим

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I С к току базы I B . Обозначается β , hfe или h31e , в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

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

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

Страница 1 из 2

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два электронно-дырочных перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.
Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р и n-р-n. Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер.

Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-n-р.
Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низкочастотных не превышает 50 мкм.
При работе транзистора на его переходы поступают внешние напряжения от источника питания. В зависимости от полярности этих напряжений каждый переход может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении. Различают три режима работы транзистора: 1) режим отсечки — оба перехода и, соответственно, транзистор полностью закрыты; 2) режим насыщения — транзистор полностью открыт;3) активный режим — это режим, промежуточный между двумя первыми. Режимы отсечки и насыщения совместно применяются в ключевых каскадах, когда транзистор попеременно то полностью открыт, то полностью заперт с частотой импульсов, поступающих на его базу. Каскады, работающие в ключевом режиме, применяются в импульсных схемах (импульсные блоки питания, выходные каскады строчной развертки телевизоров и др.). Частично в режиме отсечки могут работать выходные каскады усилителей мощности.
Наиболее часто транзисторы применяются в активном режиме. Такой режим определяется подачей на базу транзистора напряжения небольшой величины, которое называется напряжением смещения (U см.) Транзистор приоткрывается и через его переходы начинает течь ток. Принцип работы транзистора основан на том, что относительно небольшой ток, текущий через эмиттерный переход (ток базы), управляет током большей величины в цепи коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора.

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (I ЭБО ) И коллектора (I КБО ). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения . Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками U ЭБ и U КБ . В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I Э.нас ) и коллектора (I К.нас ).

Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора .
При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.

Под действием прямого напряжения U ЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора I К p не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому I K p = h 21Б I э
Величина h 21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h 21Б = 0,90…0,998. Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток I КБО , образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой

I к = h 21Б I э + I КБО
Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток I Б.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы
I Б = I Б.рек — I КБО
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.

В предыдущей схеме электрическая цепь, образованная источником U ЭБ , эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником U КБ , коллектором и базой этого же транзистора,— выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно «схемой ОБ».

На следующем рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ» .

В ней выходным током, как и в схеме ОБ, является ток коллектора I К , незначительно отличающийся от тока эмиттера I э , а входным — ток базы I Б , значительно меньший, чем коллекторный ток. Связь между токами I Б и I К в схеме ОЭ определяется уравнением: I К = h 21 Е I Б + I КЭО
Коэффициент пропорциональности h 21 Е называют статическим коэффициентом передачи тока базы. Его можно выразить через статический коэффициент передачи тока эмиттера h 21Б
h 21 Е = h 21Б / (1 —h 21Б )
Если h 21Б находится в пределах 0,9…0,998, соответствующие значения h 21 Е будут в пределах 9…499.
Составляющая I кэо называется обратным током коллектора в схеме ОЭ. Ее значение в 1+h 21 Е раз больше, чем I КБО , т. е.I КЭО =(1+ h 21 Е) I КБО. Обратные токи I КБО и I КЭО не зависят от входных напряжений U ЭБ и U БЭ и вследствие этого называются неуправляемыми составляющими коллекторного тока. Эти токи сильно зависят от температуры окружающей среды и определяют температурные свойства транзистора. Установлено, что значение обратного тока I КБО удваивается при повышении температуры на 10 °С для германиевых и на 8 °С для кремниевых транзисторов. В схеме ОЭ температурные изменения неуправляемого обратного тока I КЭО могут в десятки и сотни раз превысить температурные изменения неуправляемого обратного тока I КБО и полностью нарушить работу транзистора. Поэтому в транзисторных схемах применяются специальные меры термостабилизации транзисторных каскадов, способствующие уменьшению влияния температурных изменений токов на работу транзистора.
На практике часто встречаются схемы, в которых общим электродом для входной и выходной цепей транзистора является коллектор. Это схема включения с общим коллектором, или «схема ОК» (эмиттерный повторитель) .

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора ), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы ). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но бо льшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу . Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора . Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .

Также параметрами биполярного транзистора являются:

обратный ток коллектор-эмиттер
время включения
обратный ток колектора
максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

Инверсный активный режим . Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
Режим насыщения . Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
Режим отсечки . Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл.xls (35 кб) .

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Теги: Добавить метки

Являются биполярные транзисторы. Схемы включения зависят от того, какая у них проводимость (дырочная или электронная) и выполняемые функции.

Классификация

Транзисторы разделяют на группы:

По материалам: чаще всего используются арсенид галлия и кремний.
По частоте сигнала: низкая (до 3 МГц), средняя (до 30 МГц), высокая (до 300 МГц), сверхвысокая (выше 300 МГц).
По максимальной мощности рассеивания: до 0,3 Вт, до 3 Вт, более 3 Вт.
По типу устройства: три соединенных слоя полупроводника с поочередным изменением прямого и обратного способов примесной проводимости.

Как работают транзисторы?

Наружные и внутренний слои транзистора соединены с подводящими электродами, называемыми соответственно эмиттером, коллектором и базой.

Эмиттер и коллектор не отличаются друг от друга типами проводимости, но степень легирования примесями у последнего значительно ниже. За счет этого обеспечивается увеличение допустимого выходного напряжения.

База, являющаяся средним слоем, обладает большим сопротивлением, поскольку сделана из полупроводника со слабым легированием. Она имеет значительную площадь контакта с коллектором, что улучшает отвод тепла, выделяющегося из-за обратного смещения перехода, а также облегчает прохождение неосновных носителей — электронов. Несмотря на то что переходные слои основаны на одном принципе, транзистор является несимметричным устройством. При перемене мест крайних слоев с одинаковой проводимостью невозможно получить аналогичные параметры полупроводникового устройства.

Схемы включения способны поддерживать его в двух состояниях: он может быть открытым или закрытым. В активном режиме, когда транзистор открыт, эмиттерное смещение перехода сделано в прямом направлении. Чтобы наглядно это рассмотреть, например, на полупроводниковом триоде типа n-p-n, на него следует подать напряжение от источников, как изображено на рисунке ниже.

Граница на втором коллекторном переходе при этом закрыта, и через нее ток протекать не должен. Но на практике происходит обратное из-за близкого расположения переходов друг к другу и их взаимного влияния. Поскольку к эмиттеру подключен «минус» батареи, открытый переход позволяет электронам поступать в зону базы, где происходит их частичная рекомбинация с дырками — основными носителями. Образуется базовый ток I б. Чем он сильней, тем пропорционально больше ток на выходе. На этом принципе работают усилители на биполярных транзисторах.

Через базу происходит исключительно диффузионное перемещение электронов, поскольку там нет действия электрического поля. Благодаря незначительной толщине слоя (микроны) и большой величине отрицательно заряженных частиц, почти все из них попадают в область коллектора, хотя сопротивление базы достаточно велико. Там их втягивает электрическое поле перехода, способствующее их активному переносу. Коллекторный и эмиттерный токи практически равны между собой, если пренебречь незначительной потерей зарядов, вызванных рекомбинацией в базе: I э = I б + I к.

Параметры транзисторов

Коэффициенты усиления по напряжению U эк /U бэ и току: β = I к /I б (фактические значения). Обычно коэффициент β не превышает значения 300, но может достигать величины 800 и выше.
Входное сопротивление.
Частотная характеристика — работоспособность транзистора до заданной частоты, при превышении которой переходные процессы в нем не успевают за изменениями подаваемого сигнала.

Биполярный транзистор: схемы включения, режимы работы

Режимы работы отличаются в зависимости от того, как собрана схема. Сигнал должен подаваться и сниматься в двух точках для каждого случая, а в наличии имеются только три вывода. Отсюда следует, что один электрод должен одновременно принадлежать входу и выходу. Так включаются любые биполярные транзисторы. Схемы включения: ОБ, ОЭ и ОК.

1. Схема с ОК

Схема включения с общим коллектором: сигнал поступает на резистор R L , который входит также в коллекторную цепь. Такое подключение называют схемой с общим коллектором.

Этот вариант создает только усиление по току. Преимущество эмиттерного повторителя состоит в создании большого сопротивления входа (10-500 кОм), что позволяет удобно согласовывать каскады.

2. Схема с ОБ

Схема включения биполярного транзистора с общей базой: входящий сигнал поступает через С 1 , а после усиления снимается в выходной коллекторной цепи, где электрод базы является общим. В таком случае создается усиление по напряжению аналогично работе с ОЭ.

Недостатком является небольшое сопротивление входа (30-100 Ом), и схема с ОБ применяется как генератор колебаний.

3. Схема с ОЭ

Во многих вариантах, когда применяются биполярные транзисторы, схемы включения преимущественно делаются с общим эмиттером. Питающее напряжение подается через нагрузочный резистор R L , а к эмиттеру подключается отрицательный полюс внешнего питания.

Переменный сигнал со входа поступает на электроды эмиттера и базы (V in), а в коллекторной цепи он становится уже больше по величине (V CE). Основные элементы схемы: транзистор, резистор R L и цепь выхода усилителя с внешним питанием. Вспомогательные: конденсатор С 1 , препятствующий прохождению постоянного тока в цепь подаваемого входного сигнала, и резистор R 1 , через который транзистор открывается.

В коллекторной цепи напряжения на выходе транзистора и на резисторе R L вместе равны величине ЭДС: V CC = I C R L + V CE .

Таким образом, небольшим сигналом V in на входе задается закон изменения постоянного напряжения питания в переменное на выходе управляемого транзисторного преобразователя. Схема обеспечивает возрастание входного тока в 20-100 раз, а напряжения — в 10-200 раз. Соответственно, мощность также повышается.

Недостаток схемы: небольшое сопротивление входа (500-1000 Ом). По этой причине появляются проблемы в формировании Выходное сопротивление составляет 2-20 кОм.

Приведенные схемы демонстрируют, как работает биполярный транзистор. Если не принять дополнительных мер, на их работоспособность будут сильно влиять внешние воздействия, например перегрев и частота сигнала. Также заземление эмиттера создает нелинейные искажения на выходе. Чтобы повысить надежность работы, в схеме подключают обратные связи, фильтры и т. п. При этом коэффициент усиления снижается, но устройство становится более работоспособным.

Режимы работы

На функции транзистора влияет значение подключаемого напряжения. Все режимы работы можно показать, если применяется представленная ранее схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

1. Режим отсечки

Данный режим создается, когда значение напряжения V БЭ снижается до 0,7 В. При этом эмиттерный переход закрывается, и коллекторный ток отсутствует, поскольку нет свободных электронов в базе. Таким образом, транзистор заперт.

2. Активный режим

Если на базу подать напряжение, достаточное, чтобы открыть транзистор, появляется небольшой входной ток и повышенный на выходе, в зависимости от величины коэффициента усиления. Тогда транзистор будет работать как усилитель.

3. Режим насыщения

Режим отличается от активного тем, что транзистор полностью открывается, и ток коллектора достигает максимально возможного значения. Его увеличения можно достигнуть только за счет изменения прикладываемой ЭДС или нагрузки в цепи выхода. При изменении базового тока коллекторный не меняется. Режим насыщения характеризуется тем, что транзистор предельно открыт, и здесь он служит переключателем во включенном состоянии. Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи.

Все режимы работы зависят от характера выходных характеристик, изображенных на графике.

Их можно наглядно продемонстрировать, если будет собрана схема включения биполярного транзистора с ОЭ.

Если отложить на осях ординат и абсцисс отрезки, соответствующие максимально возможному коллекторному току и величине напряжения питания V CC , а затем соединить их концы между собой, получится линия нагрузки (красного цвета). Она описывается выражением: I C = (V CC — V CE)/R C . Из рисунка следует, что рабочая точка, определяющая ток коллектора I C и напряжение V CE , будет смещаться по нагрузочной линии снизу вверх при увеличении тока базы I В.

Зона между осью V CE и первой характеристикой выхода (заштрихована), где I В = 0, характеризует режим отсечки. При этом обратный ток I C ничтожно мал, а транзистор закрыт.

Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении I В коллекторный ток уже не изменяется. Зоной насыщения на графике является заштрихованная область между осью I C и самой крутой характеристикой.

Как ведет себя транзистор в разных режимах?

Транзистор работает с переменными или постоянными сигналами, поступающими во входную цепь.

Биполярный транзистор: схемы включения, усилитель

Большей частью транзистор служит в качестве усилителя. Переменный сигнал на входе приводит к изменению его выходного тока. Здесь можно применить схемы с ОК или с ОЭ. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Обычно используют резистор, установленный в выходной коллекторной цепи. Если его правильно выбрать, величина выходного напряжения будет значительно выше, чем входного.

Работу усилителя хорошо видно на временных диаграммах.

Когда преобразуются импульсные сигналы, режим остается тем же, что и для синусоидальных. Качество преобразования их гармонических составляющих определяется частотными характеристиками транзисторов.

Работа в режиме переключения

Предназначены для бесконтактной коммутации соединений в электрических цепях. Принцип заключается в ступенчатом изменении сопротивления транзистора. Биполярный тип вполне подходит под требования ключевого устройства.

Заключение

Полупроводниковые элементы используются в схемах преобразования электрических сигналов. Универсальные возможности и большая классификация позволяют широко применять биполярные транзисторы. Схемы включения определяют их функции и режимы работы. Многое также зависит от характеристик.

Основные схемы включения биполярных транзисторов усиливают, генерируют и преобразуют входные сигналы, а также переключают электрические цепи.

4.5. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ | Политех в Сети

Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами. Две крайние области полупроводникового кристалла однотипной проводимости разделены областью противоположной проводимости, как показано на рис. 4.13. Поскольку ток в полупроводниковых транзисторах обусловлен двумя типами носителей зарядов, то транзисторы называются биполярными. Биполярные транзисторы бывают

типа и типа.

Рис.4.13. Структура и обозначение биполярных транзисторов

Средняя область транзистора называется базой. Левая на рисунке область транзистора называется эмиттер, правая — коллектор. Переход эмиттер-база называется эмиттерным переходом. Переход коллектор-база называется коллекторным переходом. Назначение эмиттера – инжекция подвижных носителей заряда, а коллектора – их экстракция.

На каждый

переход можно подать как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы транзистора:

Режим отсечки. В этом режиме на оба

перехода подано обратное напряжение.

Режим насыщения. В этом режиме на оба

перехода подано прямое напряжение.

Активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное напряжение.

Инверсный активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный – прямое напряжение.

Режим отсечки и насыщения характерен для транзисторов, работающих в ключевом режиме. В режиме отсечки оба

перехода смещены в обратном направлении и ток через транзистор отсутствует. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении и через транзистор проходит максимальный прямой ток. В режимах отсечки и насыщения работают транзисторы схем цифровой электроники.

Инверсный активный режим используется достаточно редко.

В активном режиме к эмиттерному переходу источник питания подключается в прямом направлении, а к коллекторному — в обратном, как показано на рис. 4.14. В активном режиме работают транзисторы усилителей электрических сигналов.

Рис. 4.14.Механизм возникновения токов в транзисторе

Рассмотрим работу биполярного транзистора в активном режиме. Под влиянием напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается и начинается диффузия дырок из эмиттера в область базы, а электронов из базы в область эмиттера, то есть через переход начинает протекать ток. Источник питания к коллекторному переходу подключается в обратном направлении и коллекторный переход смещен в обратном направлении. При этом создается ускоряющее электрическое поле для дырок, достигающих коллекторного перехода. В случае

транзистора, как показано на рис. 4.14, из эмиттера будет инжектироваться большое количество дырок в базу, которые создают ток эмиттера. В результате инжекции дырок из эмиттера в базу их концентрация на границе эмиттерного перехода становится больше, чем в остальном объеме базы. Вследствие этого начинается их движение в область базы к границе коллекторного перехода. Будучи в базе неосновными носителями, дырки будут перемещаться в области базы за счет диффузии, рекомбинируя с электронами базы. Рекомбинация дырок в базе вызывает соответствующий приток электронов из внешней цепи источника питания в область базы для восполнения электронов, рекомбинировавших с дырками, который создает ток базы. Так как база тонкая, то большинство дырок не успевает рекомбинировать с электронами и достигает коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода поток дырок попадает под действие ускоряющего электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода, что вызывает быстрый дрейф дырок через коллекторный переход в область коллектора, где они становятся основными носителями заряда и легко доходят до коллекторного вывода. В месте контакта коллектора и вывода источника питания дырки рекомбинируют со свободными электронами и создают ток во внешней цепи. Часть дырок успевает рекомбинировать в области базы, поэтому не все дырки инжектируемые эмиттером, доходят до коллекторного перехода. Вследствие этого коллекторный ток всегда меньше тока на величину тока базы .

Движение носителей тока в транзисторе приводит к появлению токов во внешней цепи. Ток коллектора течет по цепи: плюс источника

— источник — эмиттер — база- коллектор — минус источника . Ток базы Течет по цепи: плюс источника — эмиттер – база – минус источника . Для уменьшения вероятности рекомбинации дырок в области базы, толщину базы делают немного меньше диффузионной длины пробега дырок. Для обеспечения односторонней инжекции, то есть максимального перехода дырок из эмиттера в область базы при минимальном переходе электронов из базы в эмиттер, концентрация дырок в эмиттере должна быть примерно в 100 раз больше концентрации электронов в базе. При этом эмиттер обладает меньшим удельным сопротивлением, чем база.

Токи в транзисторе связаны следующим соотношением:

. (4.25)

Доля носителей зарядов, инжектированных эмиттером в базу и достигших вследствие диффузии коллектора, оценивается статическим коэффициентом передачи эмиттерного тока:

, (4.26)

Величина которого для современных транзисторов составляет примерно

Другим параметром транзистора является статический коэффициент передачи базового тока:

. (4.27)

Связь между

и дает следующее выражение: . (4.28)

Поскольку

, то .

В транзисторе к составляющей коллекторного тока, обусловленной потоком инжектируемых эмиттером дырок, прибавляется составляющая обратного (теплового) тока коллекторного перехода

При выяснении механизма протекания токов в транзисторе

типа необходимо поменять полярности источников питания, подключаемых к эмиттеру и коллектору. При этом эмиттер будет инжектировать электроны.

На основе биполярных транзисторов создают усилители электрических сигналов. Сопротивление коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, намного больше сопротивления эмиттерного перехода. Для получения максимальной мощности в нагрузке необходимо согласовать сопротивление коллекторной нагрузки с выходным сопротивлением транзистора. Для этого сопротивление в цепи коллектора должно быть достаточно большим (в реальных схемах усилителей единицы килоом). При этом напряжение источника коллекторной батареи должно составлять единицы-десятки вольт. Если в цепь эмиттерного перехода включить источник переменного управляющего напряжения (источник сигнала), то через транзистор наряду с постоянными токами начнут протекать переменные составляющие токов базы

~, эмиттера ~ и коллектора ~, изменяющиеся по закону изменения управляющего напряжения. При этом мощность во входной цепи, затрачиваемая на управление эмиттерным переходом, будет равна:~*~. (4.29)

Мощность переменного тока на выходе в коллекторной цепи будет равна:

~*~. (4.30)

Переменное напряжение на выходе в коллекторной цепи будет составлять при этом единицы вольт. А для эффективного управления эмиттерным переходом достаточны уровни управляющего напряжения равные нескольким значениям температурного потенциала

. Кроме того, переменный ток коллектора в раз больше переменного тока базы. Таким образом, мощность переменного сигнала на выходе в коллекторной цепи значительно (в сотни — тысячи раз) превосходит мощность управляющего источника сигнала в цепи эмиттер-база. Усиление управляющего сигнала сводится к преобразованию постоянного тока источника коллекторной батареи в переменный ток, изменяющийся по закону напряжения, управляющего эмиттерным переходом.

4.5.1. Статические характеристики биполярных транзисторов.

При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки напряжение на коллекторном переходе меняется с изменением коллекторного тока за счет падения напряжения на сопротивлении нагрузки. В этом случае ток коллектора становится функцией двух одновременно меняющихся факторов. Ток коллектора зависит от напряжения на коллекторе и от тока базы:

(4.31)

В свою очередь ток базы зависит от потенциала базы относительно эмиттера и от напряжения на коллекторе:

(4.32)

Зависимость токов транзистора от двух меняющихся факторов значительно затрудняет анализ. Поэтому вначале рассмотрим работу транзистора в статическом режиме, то есть при отсутствии сопротивления нагрузки в цепи коллектора. В этом случае напряжения на коллекторном и эмиттерном переходах будут постоянными при изменении токов в транзисторе. При этом свойства транзистора можно характеризовать графическими зависимостями токов, называемых статическими характеристиками.

В зависимости от того, какой из электродов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения биполярного транзистора, показанные на рис.4.15: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК).

а б в

Рис. 4.15. Схемы включения биполярного транзистора:

А — с общим эмиттером; Б – С общей базой; В – с общим коллектором.

В транзисторах между собой связаны четыре величины: входные и выходные токи и входные и выходные напряжения. При этом для каждой схемы включения транзистора можно представить два семейства статических вольтамперных характеристик – входные и выходные. Входные статические характеристики представляют собой зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении:

при . (4.33)

Выходные статические характеристики — это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном напряжении:

при (4.34)

Для каждой их трех схем включения существуют свои семейства характеристик. Входные и выходные характеристики транзистора имеют тесную связь с вольтамперной характеристикой диода. Действительно, входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, работающему при прямом напряжении смещения на переходе. Поэтому они аналогичны характеристикам, представляющим зависимость прямого тока диода от напряжения. Выходные характеристики подобны характеристике обратного тока диода, так как они отображают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении смещения.

Для снятия статических характеристик в любой схеме включения транзистора необходимо иметь регулируемые источники постоянного напряжения для изменения напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах, два вольтметра и два миллиамперметра для измерения изменений входного и выходного напряжений и токов.

Входные статические характеристики транзистора в схеме с общей базой представляют собой зависимости тока эмиттера от напряжения на эмиттерном переходе при постоянном напряжении на коллекторном переходе:

при . (4.35)

На рис. 4.16 представлены три входные характеристики

транзистора, включенного по схеме с общей базой, при разных напряжениях на коллекторе относительно базы.

Характеристика при

0В представляет собой обычную характеристику перехода, включенного в прямом направлении.

Рис. 4.16. Входные статические характеристики транзистора в схеме с общей базой

С увеличением отрицательных напряжений на коллекторном переходе увеличивается ширина запорного слоя, а толщина базы становится меньше, что ускоряет прохождение дырок эмиттера через базу в область коллектора, поэтому ток эмиттера несколько увеличивается и характеристики располагаются левее. Это так называемый эффект модуляции толщины базы. По входным характеристикам можно рассчитать входное сопротивление транзистора как отношение приращения напряжения к приращению тока, взяв две точки на одной из характеристик:

при . (4.36)

Входное сопротивление транзистора в схеме с ОБ мало и составляет единицы-десятки Ом, потому что эмиттерный переход смещен в прямом направлении и малые изменения напряжения на нем вызывают большие изменения тока эмиттера.

Выходные статические характеристики

транзистора (рис.4.17), включенного по схеме с общей базой, представляют собой зависимости при . (4.37)

Рис. 4.17. Выходные статические характеристики транзистора в схеме с общей базой

Характеристика, снятая при

0, представляет собой характеристику перехода, включенного в обратном направлении. Ток коллектора при этом вызван неосновными носителями. Выходные характеристики имеют очень малый наклон и почти параллельны горизонтальной оси. Это объясняется тем, что дырки эмиттера достигают коллектора за счет диффузии и ускоряющее поле коллектора мало влияет на величину коллекторного тока. Уже при напряжениях, близких к нулю, ток коллектора достигает величины насыщения и затем мало меняется. Выходное сопротивление транзистора можно найти по выходным характеристикам: при (4.38)

Выходное сопротивление в схеме с общей базой велико и может составлять сотни килом — единицы мегом.

Коэффициент передачи эмиттерного тока в схеме с общей базой можно рассчитать по выходным статическим характеристикам:

при . (4.39)

Поскольку

, схема с общей базой не усиливает по току.

Статические входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляют собой зависимости

при . (4.40)

Входные статические характеристики

транзистора представлены на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Входные статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

Из характеристик видно, что с увеличением прямого напряжения на эмиттерном переходе увеличивается ток базы, поскольку с увеличением прямого напряжения увеличивается количество дырок, переходящих из эмиттера в базу, и увеличивается вероятность рекомбинации.

Изменение напряжения на коллекторе относительно эмиттера также влияет на величину тока базы. С увеличением отрицательного напряжения на коллекторе ток базы уменьшается. Это вызвано эффектом модуляции толщины базы. При этом характеристики смещаются немного вправо.

По входным статическим характеристикам можно рассчитать входное сопротивление транзистора:

при . (4.41)

Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером мало и составляет сотни ом – единицы килоом.

Выходные статические характеристики транзистора в схеме ОЭ представляют собой зависимости

при . (4.42)

Семейство выходных статических характеристик приведено на рис. 4.19. При токе базы равном нулю через транзистор протекает обратный ток неосновных носителей. С увеличением тока базы пропорционально увеличивается ток коллектора.

Рис. 4.19. Выходные статические характеристики

транзистора в схеме с общим эмиттером

В схеме с ОЭ напряжение, приложенное к переходу коллектор-база, равно

, так как между точками коллектор-база эти напряжения включены навстречу друг другу. Поэтому при коллекторный переход смещается в прямом направлении и через транзистор протекает большой прямой ток. Это соответствует режиму насыщения транзистора, так как при этом оба перехода смещены в прямом направлении. На участке крутизна характеристик становится небольшой и выходное сопротивление увеличивается. Этот участок характеристик соответствует активному режиму работы транзистора. По выходным характеристикам выходное сопротивление транзистора равно: при . (4.43)

Выходное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ составляет единицы-десятки килоом.

По выходным статическим характеристикам можно рассчитать коэффициент усиления тока базы в схеме с ОЭ :

при . (4.44)

Схема с ОЭ отличается большим усилением по току, то есть небольшие приращения тока базы на входе вызывают большие приращения тока коллектора на выходе. Вместе с тем, схема с ОЭ обладает усилением по напряжению, так как благодаря большому выходному сопротивлению в цепь коллектора можно включать достаточно большое сопротивление, падение напряжения на котором будет значительно больше напряжения, поданного на вход.

Схема с общим коллектором имеет много общего со схемой с ОЭ. В этих схемах управляющим током является ток базы, а выходные токи

И Различаются мало. Поэтому семейство выходных характеристик схемы с ОК такое же, как семейство выходных характеристик схемы с ОЭ, если в них заменить ток коллектора током эмиттера.

Входное семейство характеристик схемы с ОК по сравнению с семейством характеристик схемы с ОЭ будет сдвинуто вправо на величину напряжения на коллекторном переходе.

4.5.2. Параметры и свойства биполярных транзисторов.

Биполярные транзисторы управляются током при изменении напряжения на эмиттерном переходе. Поэтому они отличаются не очень большой величиной входного сопротивления. В схеме с ОБ величина входного сопротивления составляет единицы-десятки Ом, в схеме с ОЭ – сотни Ом — единицы килоом. Малое входное сопротивление нагружает источники сигналов.

Важными параметрами транзисторов, которые обязательно приводят в паспортных данных, являются максимальное напряжение на коллекторе и допустимая мощность рассеяния. Так как токи коллекторного и эмиттерного переходов примерно одинаковы, то выделяемая на переходе мощность определяется падением напряжения на

переходе. Максимальная мощность будет выделяться на коллекторном переходе. Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором, ограничена допустимой температурой переходов, так как при протекании тока в транзисторе выделяется тепло. Максимальная допустимая температура коллекторного перехода для германиевых транзисторов , а для кремниевых транзисторов — . Для отвода тепла корпус мощных транзисторов крепят на специальных металлических радиаторах с большой поверхностью охлаждения. Радиаторы изготавливают из металлов с большой теплопроводностью — алюминий, медь. В качестве радиатора часто используют шасси прибора. Следует иметь в виду, что в мощных транзисторах для улучшения теплоотвода коллектор имеет тепловой контакт с корпусом транзистора. В этом случае корпус транзистора необходимо отделить от шасси или радиатора изолирующей прокладкой.

Максимально допустимое напряжение на коллекторе – это предельное значение напряжения на коллекторном переходе, при превышении которого происходит пробой перехода и транзистор выходит из строя. Рабочее напряжение на коллекторе должно быть равно или меньше максимально допустимого значения.

Биполярные транзисторы разных типов различаются по своим частотным свойствам. Частотные свойства биполярных транзисторов зависят от нескольких факторов. На высоких частотах время перехода носителей тока через область базы становится соизмеримым с периодом высокочастотного электрического сигнала. Это приводит к уменьшению коэффициента передачи эмиттерного тока и заметному сдвигу по фазе между токами эмиттера и коллектора.

Другой причиной, ограничивающей частотные возможности транзисторов, являются паразитные емкости эмиттерного и коллекторного переходов. Величина этих емкостей небольшая – единицы – десятки пикофарад. Емкость эмиттерного перехода в схеме усилителя подключена параллельно источнику входного сигнала, а емкость коллекторного перехода – параллельно нагрузке. С изменением частоты изменяется емкостное сопротивление. Емкость коллекторного перехода шунтирует сопротивление нагрузки, уменьшая сопротивление нагрузки и, следовательно, уменьшая усиление каскада.

Частотные свойства транзисторов зависят также и от подвижности носителей тока. Подвижность – это скорость, приобретаемая носителем тока в электрическом поле с напряженностью 1В/см. Подвижность электронов в два раза выше подвижности дырок, поэтому транзисторы

типа имеют примерно в два раза более высокую граничную частоту по сравнению с транзисторами типа с такой же толщиной базы. В кремниевых транзисторах подвижность носителей тока меньше, чем в германиевых.

Для оценки частотных свойств транзисторов вводится такой параметр, как граничная частота коэффициента усиления тока в схеме с ОЭ. Это такая частота, на которой модуль коэффициента усиления по току становится равным 1. Граничные частоты современных биполярных транзисторов составляют единицы гигагерц.

Характеристики транзистора подвержены влиянию температуры. При увеличении температуры электронам валентной зоны полупроводника сообщается дополнительная энергия и увеличивается количество электронов, которые переходят из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие этого увеличивается количество как основных, так и неосновных носителей тока. Кроме того, с увеличением температуры увеличивается подвижность носителей тока. Особенно сильно влияет повышение температуры на обратный ток коллекторного перехода. Температурная зависимость этого тока выражается формулой:

, (4.45)

Где :

И — обратный ток при температуре и ;– температурный коэффициент, величина которого для разных транзисторов принимает значения от 0,06 до 0,1.

Если принять

0,1, то из последнего выражения следует, что обратный ток увеличится в 2,7 раза при изменении температуры на .

При одной и той же температуре ток

кремниевых транзисторов значительно меньше, чем у германиевых, так как запрещенная зона кремния шире, чем у германия и для ее преодоления требуется больше энергии. С ростом температуры увеличиваются токи эмиттера, базы и коллектора, поэтому входные и выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ смещаются вверх.

4.5.3. Схемы задания режима работы транзистора по постоянному току.

Транзистор в схеме усилителя напряжения должен работать в активном режиме. Для обеспечения активного режима необходимо подать определенные постоянные напряжения для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении и коллекторного перехода – в обратном направлении. При этом через транзистор начинают протекать постоянные составляющие токов базы, эмиттера и коллектора. При подаче на вход каскада переменного напряжения сигнала к постоянным составляющим токов добавляются переменные составляющие, повторяющие форму входного сигнала. Чтобы выделить на выходе усиленный сигнал, в цепь коллектора включают сопротивление нагрузки. Небольшие изменения напряжения сигнала на входе вызывают приращения токов базы, эмиттера и коллектора и значительные изменения переменного напряжения на выходе каскада. В схеме с ОЭ коллекторный ток получит приращение

. Поскольку 1, то переменная составляющая приращения тока коллектора намного больше переменной составляющей приращения тока базы. Так как величина сопротивления коллекторной нагрузки составляет единицы килом, то на сопротивлении нагрузки выделится гораздо большее переменное напряжение, чем поданное на вход. При этом форма усиленного сигнала в коллекторной цепи должна совпадать с формой сигнала на входе. Для этого необходимо обеспечить линейную зависимость между выходным и входным напряжениями сигнала. Линейную зависимость между ними можно обеспечить выбором уровня постоянного напряжения на эмиттерном переходе. Точка на статической характеристике, однозначно определяемая постоянным напряжением на эмиттерном и коллекторном переходах при отсутствии сигнала, называется рабочей точкой. Постоянное напряжение, которое подается на эмиттерный переход для выбора рабочей точки, называется напряжением смещения. Чтобы обеспечить совпадение формы выходного напряжения с формой входного сигнала, рабочую точку необходимо выбирать на середине линейного участка входной характеристики.

Для подачи смещения на эмиттерный переход не нужен отдельный источник напряжения – наиболее экономично использовать для этого источник напряжения коллекторной цепи. Различают два способа подачи смещения: фиксированным током и фиксированным напряжением.

Рассмотрим простейший усилительный каскад на транзисторе P—N—P типа в активном режиме в схеме с общим эмиттером, представленный на рис. 4.20.

Рис. 4.20. Схема задания напряжения смещения фиксированным током

В активном режиме на эмиттерный переход надо подать прямое напряжение смещения, а на коллекторный – обратное. Если принять потенциал базы за нулевой, то для создания активного режима необходимо подать положительное напряжение на эмиттер, и отрицательное — на коллектор. Такой режим может обеспечить схема с фиксированным током базы. Через резистор

База подсоединена к отрицательному полюсу коллекторной батареи. При отсутствии напряжения сигнала по цепи земля — эмиттерный переход — сопротивление — минус протекает постоянный ток базы . Величина этого тока выбирается в зависимости от необходимого положения рабочей точки. Рабочая точка на входной характеристике задается соответствующим выбором постоянных напряжений смещения на базе относительно эмиттера и напряжения . Напряжение смещения на базе равно: . (4.46)

По входной статической характеристике можно выбрать положение рабочей точки на линейном участке и соответствующие рабочей точке напряжения

и . При этом можно определить величину резистора в цепи базы:. (4.47)

Недостатком такого способа задания смещения является нестабильность режима работы при изменении температуры и смене транзисторов.

Смещение на эмиттерный переход можно задать также фиксированным напряжением. Схема задания смещения фиксированным напряжением представлена на рис. 4.21. В этой схеме напряжение смещения на эмиттерный переход задается делителем напряжения +

Из резисторов , В цепи базы.

Рис. 4.21. Схема задания смещения фиксированным напряжением.

Для устранения влияния тока базы на напряжение смещения необходимо выбрать резисторы делителя так, чтобы ток делителя был в несколько раз больше тока базы при максимальном сигнале. Это условие ограничивает величину резисторов, что приводит к уменьшению входного сопротивления схемы. Величина напряжения смещения на базе относительно эмиттера при этом определяется следующим выражением:

. (4.49)

Существенным недостатком рассмотренных схем задания напряжения смещения является нестабильность положения рабочей точки при изменении температуры. С увеличением температуры концентрация основных и неосновных носителей тока увеличивается, так как большее число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости. Эти процессы приводят к тому, что с увеличением температуры изменяется положение и крутизна выходных статических характеристик. Для уменьшения влияния температурных изменений применяют специальные методы температурной стабилизации. Так как с увеличением температуры ток коллектора увеличивается, то в схемах температурной стабилизации воздействуют на цепи смещения так, чтобы с увеличением температуры ток коллектора автоматически уменьшался. Один из методов температурной стабилизации рабочей точки реализован в схеме, представленной на рис. 3.22.

Рис. 4.22. Схема с температурной стабилизацией рабочей точки.

В этой схеме температурная стабилизация рабочей точки осуществляется за счет падения напряжения на резисторе

. Ток эмиттера создает на нем падение напряжения, равное . Напряжение смещения, приложенное к эмиттерному переходу, равно алгебраической сумме напряжений на резисторах и :. (4.49)

Напряжение, снимаемое с резистора

, подается на эмиттерный переход в прямом направлении. Напряжение с резистора Подается на эмиттерный переход в обратном направлении.

При отсутствии входного переменного сигнала в схеме устанавливаются определенные постоянные напряжения на базе, эмиттере и коллекторе и протекают постоянные токи

, и . Повышение температуры вызывает увеличение тока эмиттера на величину , тока коллектора на величину и тока базы на величину . Приращения токов вызовут соответствующие изменения напряжений на базе, эмиттере и коллекторе транзистора. Поскольку ток базы получает очень малое приращение по сравнению с приращением тока эмиттера, то изменение тока базы мало скажется на величине напряжения на базе. В то же время изменение тока эмиттера приведет к увеличению падения напряжения на резисторе . Поскольку это напряжение к эмиттерному переходу приложено в обратном направлении, то его увеличение вызовет уменьшение напряжения смещения и уменьшение эмиттерного тока, что вернет рабочую точку в исходное положение. Чтобы не ухудшать усилительные свойства каскада

Для переменного сигнала резистор

зашунтировали конденсатором , величина которого выбирается из условия:, (4.50)

Где

— самая низкая частота в спектре усиливаемого сигнала.

Цепочка

— называется цепочкой температурной стабилизации. Стабилизирующее действие этой цепочки увеличивается с увеличением и уменьшением резисторов и В цепи базы. Эта схема является наиболее эффективной стабилизирующей схемой.

4.5.4. Работа транзистора в режиме малого сигнала

Схема с общим эмиттером.

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим.

Рассмотрим отдельно каждую из трех схем включения транзистора, когда к входу подключен генератор гармонического сигнала. Схема с общим эмиттером на транзисторе

типа представлена на рис. 4.23. Напряжение на коллекторе каскада по постоянному току равно:. (4.51)

При подключении к входу каскада генератора сигналов к постоянным составляющим токов добавляются соответствующие переменные составляющие токов.

Рис. 4.23. Схема с ОЭ в динамическом режиме

Направление переменных составляющих токов по отношению к направлению постоянных составляющих будет зависеть от полярности входного сигнала. При положительной полуволне входного сигнала эмиттерный и коллекторный токи увеличиваются, так как входной сигнал смещает эмиттерный переход в прямом направлении. При этом они будут совпадать по направлению с постоянными составляющими токов. При отрицательной полярности входного сигнала переменные составляющие токов будут противоположны направлению постоянных составляющих и токи транзистора будут уменьшаться. С учетом этого переменное напряжение на коллекторе будет изменяться в противофазе по отношению к входному сигналу. Таким образом, схема с ОЭ поворачивает фазу входного сигнала на 180

Схема с ОЭ обеспечивает усиление по току и по напряжению. Коэффициент усиления тока базы для разных транзисторов составляет десятки-сотни раз. Такого же порядка и коэффициент усиления переменного напряжения сигнала. Коэффициент усиления входного сигнала по мощности может составлять десятки тысяч раз.

В динамическом режиме изменение переменного напряжения на эмиттерном переходе вызывает соответствующее изменение переменного напряжения на коллекторном переходе. Для снятия динамической характеристики в цепь коллектора включается соответствующее сопротивление нагрузки. Из уравнения (3.49) найдем зависимость

:. (4.52)

Это уравнение прямой с угловым коэффициентом

Выходную динамическую характеристику строят на семействе выходных статических характеристик, исходя из заданных значений

и , как показано на рис.4.24.

Рис. 4.24. Динамическая характеристика каскада по схеме с ОЭ

По оси напряжений откладывают отрезок, равный

, а по оси токов — отрезок, равный , и через эти точки проводят прямую, которая представляет динамическую характеристику каскада. Динамическая характеристика называется нагрузочной прямой. В динамическом режиме рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой в процессе изменения уровня входного сигнала.

Схема с общей базой.

На рис. 4.25 представлена схема с общей базой.

Рис. 4.25. Каскад по схеме с общей базой

В цепь коллектора включено сопротивление нагрузки

. Смещение на эмиттерный переход подается фиксированным напряжением от источника коллекторной батареи с помощью резисторного делителя , . Конденсатор обеспечивает нулевой потенциал базы по переменному току. Величина конденсатора должна быть такой, чтобы его сопротивление удовлетворяло условию:, (4.53)

Где

— самая низкая частота в спектре усиливаемых сигналов.

Если к входу каскада подключить генератор гармонического сигнал, то при положительной полуволне сигнала ток через транзистор будет увеличиваться, так как эмиттерный переход смещается при этом в прямом направлении, а при отрицательной полуволне – уменьшаться, так как переменная составляющая тока будет противоположна по направлению постоянной составляющей тока. Напряжение на коллекторной нагрузке в схеме с ОБ будет совпадать по фазе с напряжением входного сигнала.

Коэффициент усиления по току схемы с ОБ меньше 1, так как входным током является ток эмиттера, а выходным током – ток коллектора. Коэффициент усиления по напряжению может составлять сотни — тысячи раз.

Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором представлена на рис. 4.26. К входу подключен генератор гармонического сигнала. Сопротивление нагрузки в этой схеме включено в цепь эмиттера. Потенциал коллектора по переменной составляющей равен нулю.

Рис. 4.26. Схема с общим коллектором

Выходное напряжение, снимаемое с сопротивления нагрузки

, оказывается подключенным к эмиттерному переходу последовательно с напряжением сигнала, поданным на вход. При положительной полуволне сигнала на входе (плюс на базе, а минус на эмиттере), выходное напряжение приложено так, что плюс его на эмиттере, а минус — на базе. Это значит, что напряжение сигнала на входе и выходное напряжение включены навстречу друг другу и результирующее напряжение равно разности этих напряжений. Чтобы подать необходимое напряжение сигнала на эмиттерный переход, необходимо скомпенсировать выходное напряжение. Поэтому входное напряжение должно быть больше выходного напряжения. Напряжение на входе схемы с ОК равно:. (4.54)

Так как

, то коэффициент усиления схемы с ОК по напряжению меньше 1.

Коэффициент усиления по току в этой схеме равен:

(4.55)

Схема с ОК дает незначительное увеличение коэффициента усиления по току по сравнению со схемой с ОЭ. Коэффициент усиления по мощности немного меньше коэффициента усиления по току.

Выясним фазовые соотношения между входным и выходным сигналом. Положительная полуволна сигнала на входе вызывает увеличение тока через транзистор и увеличение падения напряжения на сопротивлении нагрузки, а отрицательная полуволна – уменьшение тока и уменьшение напряжения на выходе. В этой схеме потенциал эмиттера с небольшой разницей отслеживает потенциал базы. Схема с ОК не инвертирует фазу входного сигнала. Схему с ОК называют еще эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе повторяет входное напряжение по величине и по фазе.

Особенностью схемы с ОК является большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление. Входное напряжение больше выходного напряжения, а входной ток значительно меньше выходного тока. Поэтому:

(4.56)

Величина

Может составлять сотни ом единицы килоом, поэтому входное сопротивление схемы с ОК может составлять десятки – сотни килоом.

Выходное напряжение приложено к эмиттерному переходу и небольшое изменение выходного напряжения вызывает большие изменения тока эмиттера. Поэтому

Может составлять десятки- сотни Ом. Большое значение входного сопротивления и малое значение выходного сопротивления обусловлены в схеме с ОК тем, что часть энергии выходного сигнала в виде переменного напряжения с выхода схемы поступает обратно на вход схемы в противофазе по отношению к напряжению, действующему на входе. Выходное напряжение последовательно включено по отношению к напряжению на входе. Это соответствует наличию в этой схеме 100% последовательной отрицательной обратной связи по напряжению. Как будет показано дальше, отрицательная последовательная обратная связь по напряжению увеличивает входное сопротивление и уменьшает выходное сопротивление каскада.

Большое значение

И малое значение Позволяют использовать схему с ОК в качестве согласующего звена между одним каскадом с высоким выходным сопротивлением и другим каскадом с малым входным сопротивлением.

Ответы на вопросы

Какими достоинствами и недостатками обладает биполярный транзистор?

Достоинства и недостатки биполярных транзисторов вытекают из физических явлений, лежащих в основе их работы. Так, работа биполярных транзисторов основано на явлении инжекции неосновных носителей заряда в базу через прямосмещенный эмиттерный переход: при изменении входного управляющего тока изменяется поток инжектированных носителей заряда, что приводит к изменению выходного тока. Таким образом, биполярный транзистор управляется током, его входное сопротивление мало, а выходной ток обеспечивается носителями обоих знаков (дырками и электронами).

Какое включение биполярного транзистора называют инверсным?

Режим работы транзистора, при котором коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном, называется инверсным. В этом случае коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер – коллектора

Почему при включении транзистора ток коллектора начинает протекать с временной задержкой после начала протекания тока базы?

Так как ток базы является управляющим.

Чем определяется время выключения транзистора?

Время выключения транзистора f определяется величинами эмиттерных и коллекторных емкостей нагрузочных каскадов

От чего зависят динамические потери транзистора?

Динамические потери или потери на переключении, зависят от длительности переходных процессов, амплитуды переключаемых токов и напряжения, а также от характера нагрузки.

Что такое область активного усиления транзистора?

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

Как транзистор работает в режиме насыщения?

Режим насыщения. Предел увеличения тока базы до момента, когда ток коллектора остаётся неизменным определяет точку максимального насыщения базы электронами. Дальнейшее увеличение тока базы не будет изменять степень её насыщения, и никак не будет влиять на ток коллектора, может привести к перегреву материала в области контакта базы и выходу транзистора из строя. В справочных данных на транзисторы могут быть указаны величины тока насыщения и максимально допустимого тока базы, либо напряжения насыщения эмиттер-база и максимально допустимого напряжения эмиттер-база. Эти пределы определяют режим насыщения транзистора при нормальных условиях его работы. Режим отсечки и режим насыщения эффективны при работе транзисторов в качестве электронных ключей для коммутации сигнальных и силовых цепей.

Что такое режим отсечки для транзистора?

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

Как выбирается точка покоя в классах усиления А, AB, B и D?

В режиме А рабочая точка выбирается на середине прямолинейного участка сквозной динамической характеристики.

В режиме В рабочая точка выбирается так, чтобы ток через усилительный элемент протекал только в течение половины периода входного сигнала. Усилительный элемент работает с так называемой отсечкой. Углом отсечки принято называть половину той части периода, в течение которого проходит ток. При работе в режиме В угол отсечки 90° (π/2).

Иногда используют режим работы усилительного каскада, промежуточный между режимами А и В. Его называют режимом АВ. Рабочая точка покоя при этом должна находиться в интервале между положениями рабочей точки в режимах А и В. В этом случае к.п.д. усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В.

Перечислите достоинства и недостатки различных классов усиления.

В классе А достоинство: при подаче на базу переменного сигнала (в нашем случае синусоидального) в токе базы появляется переменная составляющая, что вызывает соответствующие изменения тока I_К и напряжения U_КЭ. Если входной сигнал не превышает допустимую величину, то происходит пропорциональное усиление всего сигнала. Недостаток: при превышении допустимого в уровнях наступает ограничение выходного сигнала на уровнях I_Кмакс до I_Кмин по току и на уровнях U_КЭмин и U_КЭмакс по напряжению. Недостаток: точка покоя смещена в сторону зоны отсечки, поэтому часть синусоидального сигнала (меньше полупериода) при усилении «обрезается»

В классе В достоинство: усиливается половина синусоидального сигнала. Недостаток: Для этого точка покоя должна выбираться на границе зоны отсечки. В действительности её выбирают несколько выше, чтобы избежать искажений, вызванных существенной нелинейностью начального участка входной характеристики транзистора.

В классе D достоинства: транзистор работает в ключевом режиме. Для этого точка покоя выбирается так же, как и в классе В на границе зоны отсечки. В этом режиме на вход подавать сигнал прямоугольной формы. Тогда отпадает необходимость в его большой амплитуде.

Общие сведения о транзисторах с биполярным переходом

Введение

Транзисторы — фундаментальный компонент цифровой электроники, от которого мы может создавать схемы, которые могут выполнять логику. По своей сути они действуют как переключатели включения / выключения, которыми можно управлять электрически, и хотя это простая концепция, мне было трудно понять, как именно как они работали в реальный мир. Например, в сообщении в блоге я написал о понимании комплект колеса рулетки, я не мог понять, что будет за транзистор делаю так, как серия резистор-конденсатор находилась в процессе зарядки; как близко к будет ли конденсатор полностью заряжен до включения затвора?

Многие веб-сайты объясняют, что делают NPN-транзисторы и как коллектор, base и emitter связаны с этим поведением.Например, Sparkfun’s страница транзистора разбивает рабочих режимов из ваш стандартный транзистор NPN в следующий:

Режим насыщения происходит, когда напряжение на базе (относительно земля; В _база) выше как напряжение на эмиттере и коллектор (опять же относительно земли; V _{эмиттер} и В _{коллектор})
активный режим происходит, когда базовое напряжение (V _base) выше чем эмиттер V _{эмиттер} но ниже коллектора V _{коллектор}
режим отсечки происходит, когда базовое напряжение (V _base) ниже, чем как коллектор (V _{, коллектор}) и эмиттер (V _{, эмиттер})

Но простых соотношений и нескольких уравнений было недостаточно, чтобы помочь я понимаю, как я могу использовать эти транзисторы в реальных схемах.Так что для ради развития моего собственного понимания транзисторов (в частности, биполярных переходные транзисторы, или BJT), я установил несколько тестов, чтобы охарактеризовать поведение транзистора 2N2222 NPN.

Построение испытательной схемы

Чтобы получить практическое представление о том, как эти режимы выглядят на практике, я построил схему с потенциометром 10K, подключенным к базе, чтобы я мог посмотрим, в какой момент транзистор начал проводить:

где

R1 подтягивает напряжение эмиттера от земли (вместе с R4 ), так что мы можем продемонстрировать режим отсечки
R2 снимает напряжение коллектора
R3 — блокиратор обратного хода для предотвращения короткого замыкания цепи, когда потенциометр сопротивление идет на ноль
R4 поднимает напряжение эмиттера от земли
R5 — потенциометр 10 кОм для проверки эффекта изменения V _база на эмиттере V

С помощью этой схемы мы можем напрямую измерить три напряжения, которые управляют поведение нашего NPN-транзистора при включении схемы в трех местах:

, а затем проведение измерений при отклонении потенциометра от нулевого сопротивления. на полные 10 кОм.Самый простой способ — использовать простой мультиметр. способ провести этот эксперимент, если это немного утомительно:

На фото выше черный зажим прикреплен к земле, а красный зажим — к земле. прикреплен к коллектору.

Эксперименты с тестовой схемой

Медленно поворачивая потенциометр и измеряя напряжение на коллектор, база, эмиттер, мы можем очень четко увидеть, как влияет напряжение на база (V _base) имеет на эмиттер и коллектор.Набор в потенциометр для установки V _base на значения в диапазоне от 0 до 3,3 В с шагом 0,1 В и измерение других напряжений дает нам следующее:

На этой диаграмме много интересных данных, поэтому давайте рассмотрим несколько вещи, которые он говорит нам о транзисторах NPN.

1. Определение различных режимов транзистора

Как обсуждалось выше, транзисторы NPN могут работать в одном из трех режимов:

Режим	Критерии	Поведение
Насыщенность	V _цоколь> V _{коллектор} V _цоколь> V _{эмиттер}	Работает как выключатель
Активный	V _{коллектор}> V _цоколь> V _{эмиттер}	V _{излучатель} пропорционально базе V
Отсечка	В _цоколь <В _{коллектор} В _цоколь <В _{эмиттер}	Работает как разомкнутый выключатель

На нашем графике измеренных данных эти режимы представлены следующим образом:

И действительно, мы видим, что

в режиме отсечки, коллектор остается под постоянным высоким напряжением, в то время как эмиттер остается при постоянном низком напряжении
в режиме насыщения, коллектор находится под тем же напряжением , что и эмиттер, и действует как короткое замыкание. цепь
в активном режиме, разница напряжений коллектор-эмиттер уменьшается по мере того, как напряжение базы увеличивается

Поведение во всех трех регионах заметно линейно; поскольку V _base является увеличивается, результирующее изменение двух других напряжений напрямую пропорциональный.Это удобно, потому что другие цифровые компоненты (как и серия RC) , а не , имеют простое линейное поведение; хорошо знать, что NPN-транзистор не усложняет еще больше, вводя другие нелинейное поведение.

2. Определение напряжения включения

Один практический аспект работы транзисторов — это диапазон напряжений, в котором они должен быть в активном режиме, но транзистор по-прежнему ведет себя так, как если бы он был в режим отсечки — то есть V _base> V _emitter но транзистор по-прежнему не пропускает ток.В наших измеренных данных это происходит между базовыми значениями V _{от 0,6 В до 1,2 В:}

Это минимальное напряжение для получения любой проводимости называется напряжением включения . Получается, что когда разница между V _base и В _{эмиттер} ниже этого напряжения включения 0,6 В, транзистор ведет себя так, как будто он все еще находится в режиме отсечки. Это V _BE <0,6 В критерии - внутреннее свойство транзистора; даже если Напряжение коллектора составляет 5 В (или выше), этот порог равен 0.Остается 6 В постоянный.

Это критическое свойство транзисторов с биполярным переходом, поскольку любой источник сопротивление, которое вы поставите после того, как эмиттер подтянет V _{эмиттер} и поэтому увеличьте базу V

, которую вам нужно поставить, чтобы транзистор начать проводить. Например, прикрепив светодиод к эмиттеру в цепи 3,3 В может не всегда работать должным образом — у вас есть только 0,7 В поиграйте с опережением коллектора после падения 2,0 В на светодиодах, и это Напряжение включения 0,6 В.

Характеристики транзисторов PNP

Транзисторы

PNP могут работать в одном из трех режимов:

Режим	Критерии	Поведение
Насыщенность	В _цоколь <В _{коллектор} В _цоколь <В _{эмиттер}	Работает как выключатель
Активный	V _{эмиттер}> V _цоколь> V _{коллектор}	V _{излучатель} пропорционально базе V
Отсечка	V _цоколь> V _{коллектор} V _цоколь> V _{эмиттер}	Работает как разомкнутый выключатель

, что по сравнению с таблицей для транзисторов NPN представляет собой почти полная противоположность режимам NPN.А если подключить резистор PNP (например, 2N2907) в нашу тестовую схему как есть и запускаем эксперимент, мы получаем очень странные результаты:

Согласно приведенной выше таблице, почти все значения V _base мы Тестирование происходит в четвертом режиме, который называется обратно-активным режимом , где V _{эмиттер} база коллектор . Это происходит потому, что ток течет от эмиттера к коллектору в PNP. транзисторы; мы только что перевернули наш PNP-транзистор!

Чтобы применить экспериментальную технику, которую мы использовали для характеристики NPN транзисторов на транзисторах PNP, есть несколько изменений, которые мы должны внести в наша тестовая схема:

Мы должны заменить NPN 2N2222 на PNP 2N2907 и поменять местами полярность , чтобы эмиттер находился под более высоким напряжением, чем коллектор.
R1 должен быть подключен после R2 сейчас. В нашей тестовой схеме NPN R1 работа заключалась в том, чтобы поднять напряжение на стороне низкого напряжения транзистора, чтобы мы можно было наблюдать режим отсечки, когда V _base был ниже, чем V _{Излучатель}. В этой испытательной схеме PNP будет наблюдаться режим отсечки. когда V _base выше, чем V _emitter, поэтому перемещение R1 будет вытаскиваем V _{эмиттер} из нашего +3.Источник 3 В.
R2 следует заменить на более низкое сопротивление, чтобы мы могли наблюдать режим насыщения. В тестовой схеме NPN задача R2 заключалась в том, чтобы тянуть V _{коллектор} внизу V _база, где V _база регулируется (частично) R3 . Режим насыщения в этом случае PNP требует что V _{эмиттер} будет на выше , чем V _base (опять же, частично на R3 ), поэтому R2 не должен быть больше R3 .

Применение этих трех изменений приводит к схеме, которая выглядит следующим образом:

Обратите внимание, что, поскольку эмиттер и коллектор физически перевернуты, мы должны позаботьтесь о том, чтобы не забыть, какой вывод транзистора мы измеряем нашим мультиметр!

Эта испытательная схема транзисторов PNP демонстрирует следующие соотношения между коллектором V _{, базой} V и эмиттером V :

На первый взгляд, это может сильно отличаться от графика напряжения NPN-транзистора. из предыдущего раздела.Однако, если вы посмотрите на это вверх ногами, вы можете возможность увидеть, насколько похожи транзисторы PNP и NPN. Все одинаковые режимы присутствуют, как и напряжение включения:

Единственное отличие, как вам скажет любой учебник, состоит в том, что транзисторы PNP включены, когда базовое напряжение низкое.

Следующие шаги

Эти эксперименты поясняют, но их также очень утомительно проводить. с механическим потенциометром и портативным мультиметром. Чтобы выполнить это своего рода характеристики более сложных схем, таких как логические вентили, мы нужен более эффективный способ изменения напряжения и проведения измерений.К этому конец, я написал на странице о том, как использовать цифровой потенциометр (дигипот) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вместе с Raspberry Pi для автоматизации этих эксперименты.

Биполярный транзистор, режимы работы

Транзистор представляет собой многофункциональное полупроводниковое устройство, которое при использовании с другими элементами схемы может обеспечивать усиление по току, усиление по напряжению и усиление сигнала по мощности. Транзистор называется пассивным устройством, а диод — пассивным.Три основных типа транзисторных технологий — это биполярный транзистор, полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и полевой транзистор на переходе (JFET). Биполярный транзистор чаще всего работает как источник тока, управляемый напряжением.

Биполярный переходной транзистор

BJT имеет три отдельно допированных области и два pn-перехода, которые расположены достаточно близко, чтобы взаимодействовать друг с другом. BJT может быть сконструирован как транзистор NPN или PNP, что означает расположение положительных и отрицательно легированных областей.

Основные соединения транзистора BJT называются коллектор, база и эмиттер. Обычно сторона эмиттера легирована до более высокого уровня, чем коллектор. В результате при подаче напряжения электроны будут течь в направлении от эмиттера к коллектору. Тогда направление тока будет от коллектора к эмиттеру.

Режимы работы BJT

Существует три режима работы BJT-транзистора.Что касается диаграммы ниже, когда напряжение база-эмиттер равно нулю или имеет обратное смещение, большая часть электронов-носителей из эмиттера не будет инжектироваться в базу. Этот режим, при котором все токи в транзисторе равны нулю, называется отсечкой. Когда напряжение базового эмиттера положительное (прямое смещение), генерируется ток эмиттера. По мере увеличения напряжения базового эмиттера ток коллектора будет продолжать увеличиваться до определенной точки, в которой переходы базового эмиттера и базового коллектора станут смещенными в прямом направлении.Этот режим называется насыщением.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

Эта запись была размещена в μ-Publications (Papers) и помечена как Полупроводники, Транзисторы автором mbenkerumass. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Shahram Marivani — ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

ЗАДАЧИ:

Ознакомиться с теорией работы биполярных переходных транзисторов (БЮТ). и изучить V-I характеристики BJT

ВВЕДЕНИЕ:

Тип транзистора (NPN или PNP) можно определить с помощью мультиметра.Тест проверяет полярность переходов база-эмиттер и база-коллектор. Этот тест должен быть выполнен в начале лабораторного сеанса. Для BJT есть три региона работы;

Активная область: в этой области базовый эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор имеет обратное смещение. Эта область — нормальный транзистор режим работы на усиление и характеризуется коэффициентом усиления транзистора по току значение, бета.
Область отсечки: в этой области переходы база-эмиттер и база-коллектор обратное смещение, и транзистор действует как разомкнутый переключатель. (Я _С = 0)
Область насыщения: в этой области переходы база-эмиттер и база-коллектор смещен в прямом направлении, и транзистор действует как замкнутый переключатель. (V _CE = 0)

В активной области транзистора определена добротность для количественной оценки способность транзистора усиливать входной сигнал.Этот параметр определяется как соотношение между I _C и I _B, которое обычно называется β-фактором. Точно так же коэффициент α равен определяется как отношение между I _C и I _E. Таким образом;

β = I _C / I _B и α = I _C / I _E

Легко показать, что β = α / (1 — α) и α = β / (β + 1). Как показывает опыт, чем больше значение β, тем выше коэффициент усиления транзистор, т.е.е. тем лучше транзистор. Типичные значения β находятся в диапазоне от 80 до 300 или выше.

РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ

Определите тип транзистора, используя сопротивление перехода постоянного тока транзистора:
Проверьте тип транзистора для каждого блока, проверив полярность базы-эмиттера соединение. Используйте мультиметр Fluke в режиме сопротивления. Сведите ваши измеренные данные в таблицу. Для данного транзистора (2N3904) измерьте сопротивление прямого и обратного смещения. между базой и эмиттером, базой и коллектором и коллектором и эмиттером.Выводы этого транзистора показаны на Рисунок 1.

I _C — V _BE Характеристика биполярного переходного транзистора:
Подключите испытательную схему транзистора, как показано на рисунке 2. Установите напряжение постоянного тока (V _B) на нулевого напряжения и V _CC до 10 В. Увеличьте V _B с шагом 0,1 В и измерьте напряжение постоянного тока между базой и эмиттером (V _BE), постоянный ток через коллектор I _C и ток через базу I _B.Сведите свои показания в ясную таблицу и нанесите на график зависимости I _C от V _BE. Убедитесь, что вы взяли достаточно точек данных, чтобы построить типичную характеристику. БЮТ. Вычислить β для каждой измеренной точки данных и свести в таблицу рассчитанные значения β с измеренными данными. График β по сравнению с V _BE.

_BE

Измерение I _C в сравнении с характеристикой V _CE биполярного транзистора:
Используя испытательную схему на Рисунке 2, отрегулируйте V _B для генерирования тока 50 мкА в базе транзистор.Измените V _CC, чтобы изменить V _CE. Выберите разумные шаги для V _CE (маленькие шаги при более низких напряжениях; 0,1 В для значений от 0 до 1,0 В и большие шаги при более высоких напряжениях; 1,0 В для значений выше 1,0 В). Измерьте V _CE и I _C.
Повторите вышеуказанное измерение для I _B = 100 мкА, 150 мкА и 200 мкА. Постройте набор кривые для I _C в сравнении с V _CE для постоянного I _B.
По измеренным данным определите диапазон V _CE, в котором I _C близок к нулю ампер.
Найдите значение α из этого набора измеренных данных, затем вычислите β. Сравните значение β, полученное в результате этого измерения, и значение, полученное в результате измерения выполнено в 2.

Способ изготовления биполярного транзистора с ограничением насыщения

ОПИСАНИЕ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Это изобретение относится к интегральным полупроводниковым схемам и, в частности, к логическим схемам биполярных транзисторов с ограничением насыщения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Транзисторные транзисторные логические схемы (T ² L) широко используются, поскольку они предлагают хороший компромисс между производительностью, рассеиваемой мощностью, функциональной плотностью на монолитном кристалле и гибкостью логики. Однако в схемах используются высокие токи возбуждения для жесткого управления выходным транзистором, чтобы получить быстрый переход при включении. Высокие токи возбуждения вызывают накопление чрезмерного заряда в выходном транзисторе, что приводит к сильному насыщению выходного транзистора и, как следствие, длительной задержке выключения для схемы T ² L.

Было предложено несколько методов предотвращения глубокого насыщения выходного транзистора. Одно предложение использует диод с барьером Шоттки в шунте с переходом база-коллектор транзистора для ограничения напряжения на переходе база-коллектор при относительно низком прямом напряжении. Недостатком этого метода является то, что существует дополнительная сложность процесса изготовления диода Шоттки, когда металлы используются для металлических межсоединений в требуемых областях ячеек, и есть некоторые проблемы с шумом из-за того, что характеристики транзистора T ² L и цепи антинасыщающего диода Шоттки не отслеживают друг друга, как транзисторы, сформированные на одном монолитном кристалле.Пример схемы, использующей диод с барьером Шоттки в шунте с переходом база-коллектор транзистора для ограничения напряжения на переходе база-коллектор, можно найти в обычно присвоенных патентах США No. № 4069428, поданный Д. К. Риди 2 сентября 1976 г.

Предложение, которое не требует использования диодов с барьером Шоттки, раскрыто в общедоступных патентах США No. №3,693,032, поданный Дж. Р. Виннардом 23 апреля 1971 г., который раскрывает схему T ² L, использующую дополнительный эмиттер входного устройства NPN, подключенный к коллектору выходного устройства NPN для управления насыщением, чтобы воспользоваться характеристиками отслеживания. в устройствах, выполненных на одной монолитной микросхеме.

В патенте США. В US 4021687, поданном 5 ноября 1975 г., описана схема для предотвращения глубокого насыщения, в которой транзистор PNP объединен с транзистором NPN для предотвращения насыщения в транзисторе NPN. Как указано в этом патенте, область P-типа служит базой NPN-транзистора и эмиттером бокового PNP-транзистора, в то время как эпитаксиальный слой N-типа служит коллектором NPN-транзистора и базой бокового PNP-транзистора. .

Схема интегрированной логики впрыска (I ² L) или схема объединенной транзисторной логики (MTL), использующая транзистор PNP, объединенный с транзистором NPN, раскрыта в IBM Technical Disclosure Bulletin Vol.22 No. 2 July 1979, R. Remshardt et al., Стр. 617-618.

Также известны схемы, в которых используются транзисторы PNP с двойным рассеиванием и источники и контакты из легированного поликремния для биполярных транзисторов. Патент США В №№ 4064526 и 4058419, поданных 24 декабря 1975 г., раскрыты структура и процесс, соответственно, для транзистора PNP с двойным рассеиванием. В обоих патентах эмиттер PNP с двойным рассеиванием сформирован в пределах базовой области, а эпитаксиальный слой P служит в качестве коллектора. Обычно присваивается U.С. Пат. В US 4,110,126, поданном 31 августа 1977 г. D. L. Bergeron и др., Раскрыта структура, в которой транзистор PNP с двойным рассеиванием сформирован в N-эпитаксиальном слое, имеющем P-имплантат, служащий коллектором PNP. Обычно присвоенный Патент США. В US 41
, поданном 22 декабря 1977 г. A. Bhattacharyya и др., Раскрыта структура биполярного транзистора, в которой первый и второй слои легированного поликремния используются в качестве источников для базового контакта и эмиттера, соответственно, биполярного транзистора.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание улучшенной биполярной транзисторной интегральной схемы с ограничением насыщения.

Другой целью настоящего изобретения является создание улучшенной интегральной схемы биполярного транзистора с ограничением насыщения, которая не требует использования диода с барьером Шоттки для предотвращения насыщения и увеличивает количество каналов разводки на единицу площади.

Еще одна цель этого изобретения — предоставить улучшенную компактную биполярную транзисторную схему с ограничением насыщения, использующую легированный поликремний в качестве источника диффузии и в качестве контакта.

Еще одной целью этого изобретения является обеспечение быстрой схемы или затвора T ² L, использующей объединенный транзистор PNP с двойным диффузором для ограничения насыщения в транзисторе NPN и увеличения емкости разветвления.

Еще одна цель этого изобретения состоит в том, чтобы предоставить быструю схему или вентиль T ² L, которая не требует использования специальных этапов или методов обработки.

Еще одной целью этого изобретения является создание биполярного транзистора с ограничением насыщения, в котором общие области активного устройства являются общими.

В соответствии с идеями этого изобретения предоставляются биполярное транзисторное устройство или схема с ограничением насыщения и способ их изготовления, которые включают объединенный транзистор NPN и структуру транзистора PNP, сформированную таким образом, чтобы создавать более плотные ячейки или схемы.Простой процесс используется для формирования структуры, которая включает технологию двойного рассеивания для изготовления транзистора PNP. Этот PNP-транзистор с двойной диффузией ограничивает входной ток путем пропускания избыточного тока на полупроводниковую подложку или микросхему. Структура включает эпитаксиальный слой N-типа, сформированный на субколлекторе N-типа, с областью P-типа, расположенной вблизи поверхности эпитаксиального слоя. Эпитаксиальный слой служит коллектором NPN и контактной областью основания PNP. Первая область N-типа формируется через область P-типа, проходящую от поверхности эпитаксиального слоя до субколлектора, разделяя область P-типа на первую и вторую секции, которые служат как область коллектора PNP и область основания NPN, соответственно.Вторая область N-типа формируется во втором участке области P-типа на поверхности эпитаксиального слоя, действующего как эмиттер NPN, а область P + формируется в первой области N-типа на поверхности эпитаксиального слоя, простирающейся в вторая часть области P-типа, которая образует базу транзистора NPN. Эта область P + служит эмиттером PNP и базовым контактом NPN. Разделение, которое может составлять около 0,5 микрон, между областью P + и первой частью P-типа первой областью N-типа служит базой PNP, обеспечивая тем самым отличный контроль над усилением тока устройства и скоростью переключения за счет использования двойного диффузионные методы.

Эта структура создается простым формированием субколлектора N + и эпитаксиального слоя N- известным способом с последующим выращиванием слоя диоксида кремния на эпитаксиальном слое с последующим осаждением слоя нитрида кремния. Затем первая маска используется для определения отверстия в слоях нитрида кремния и диоксида кремния. Затем предоставляется блокирующая маска, ограничивающая только часть отверстия в слоях нитрида кремния и диоксида кремния, а оставшаяся область покрывается фоторезистом.Область N + формируется в эпитаксиальном слое, например, посредством ионной имплантации через отверстие в фоторезисте. Эта область N + простирается от поверхности эпитаксиального слоя до субколлектора N +. Теперь весь фоторезист удален, и слой поликремния, легированного P +, осаждается и соответствующим образом протравливается, чтобы закрыть отверстие в слоях диоксида кремния и нитрида кремния. Легирующая добавка в слое поликремния затем диффундирует в эпитаксиальный слой с образованием области P + в верхней части области N +, выходящей за пределы одной стороны области N +.При соответствующем использовании блокирующей маски и известных методик ионной имплантации P-области могут быть сформированы с обеих сторон N + и P + -областей в эпитаксиальном слое. Область P + теперь может использоваться как эмиттер PNP и как контакт для базы NPN в объединенной структуре NPN / PNP для использования для обеспечения быстрых и плотных логических схем.

Если методы ионной имплантации не являются предпочтительными для формирования области N +, может быть использован альтернативный метод, т. Е. Первая маска, определяющая отверстие в слое нитрида кремния, с последующим маскированием блока и последующим травлением диоксида кремния позволит создать область N + должны быть сформированы обычными методами диффузии.Оставшийся оксид внутри отверстия нитрида кремния будет удален травлением диоксида кремния до образования области P +.

Вышеупомянутые и другие цели, признаки и преимущества изобретения будут очевидны из следующего более конкретного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, как проиллюстрировано на прилагаемых чертежах.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

РИС. 1 представляет собой вид сверху конструкции по настоящему изобретению на раннем этапе ее обработки;

РИС.2 — вид конструкции в разрезе по линии 2-2 на фиг. 1;

РИС. 3 — вид в разрезе конструкции по настоящему изобретению, подобной конструкции на фиг. 2, но на более поздней стадии их обработки;

РИС. 4 — вид в разрезе конструкции по настоящему изобретению, аналогичной конструкции на фиг. 3, но снятый на продвинутой стадии обработки; и

ФИГ. 5 — схема цепи T ² L, которая эффективно использует структуру настоящего изобретения.

НАИЛУЧШИЙ РЕЖИМ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Более подробно на чертежах показано на виде сверху на фиг. 1 и в разрезе на фиг. 2 по линии 2-2 на фиг. 1, структура по настоящему изобретению на ранних стадиях процесса изготовления этой структуры. Структура включает в себя P-полупроводниковую подложку 10, в которой сформирован субколлектор 12 N + и расположенный поверх него N-эпитаксиальный слой 14. Как известно, на границе раздела между подложкой 10 и эпитаксиальным слоем 14 могут быть также сформированы области 15 изоляции.Слой диоксида кремния 16 предпочтительно выращивают поверх эпитаксиального слоя 14, а слой нитрида кремния 18 наносят на слой диоксида кремния 16. С помощью подходящей маски в слоях 16 диоксида кремния и нитрида кремния формируют отверстие 20. и 18 соответственно. Затем слой фоторезиста 22 наносится поверх слоя 18 нитрида кремния и в отверстие 20. С помощью другой подходящей маски, которая является просто блокирующей маской, в слое 22 фоторезиста формируется отверстие 24, которое совпадает с только часть проема 20.Через отверстие 24 фосфор или легирующая примесь N-типа могут быть введены посредством ионной имплантации в эпитаксиальный слой 14 с образованием области 26 N +, которая после последующих циклов нагрева простирается от поверхности эпитаксиального слоя 14 к субколлектору N + 12.

Фотография Слой резиста 22 удаляется, и слой поликремния, легированного P +, наносится поверх слоя 18 нитрида кремния и в отверстие 20. Используя известные методы, слой поликремния протравливается с образованием сегмента 28 поликремния, закрывающего по существу только отверстие 20. , как показано на фиг.3 рисунков. Затем сегмент 28 поликремния окисляется с образованием изолирующего слоя 29, и примесь P + в сегменте 28 проникает в эпитаксиальный слой 14 с образованием области 30 P + в области 26 N +, проходящей на одном конце за пределами области 26 N +. С помощью известных технологий имплантации и соответствующей маскировки бор, обозначенный стрелками 31, вводится в эпитаксиальный слой 14 с образованием первой и второй P-областей 32 и 34 соответственно, причем первая P-область 32 контактирует с областью 15 изоляции.

Как показано на ФИГ. 4 на чертежах показано отверстие 36 в слоях диоксида кремния и нитрида кремния, 16 и 18, соответственно, через которое мышьяк или другая легирующая добавка N-типа вводится во вторую P-область с образованием в ней N + -области 38 и отверстия. 40 выполнен в слоях диоксида кремния и нитрида кремния, 16 и 18, соответственно, через которые мышьяк вводится в эпитаксиальный слой 14 N с образованием области 42 контакта N +. Для улучшения совмещения отверстия 36 и 40 через нитрид кремния слой может быть образован тем же маскирующим слоем, который ограничивает отверстие 20 способом, аналогичным методике, раскрытой в вышеупомянутом U.С. Пат. № 4,110,126.

Концентрации примесей в различных областях структуры по настоящему изобретению, проиллюстрированной на фиг. 4 чертежа предпочтительно выглядят следующим образом: приблизительно от 1 × 10 ¹⁹ до 3 × 10 ²⁰ атомов бора на кубический сантиметр для области 30 P +, от 1 × 10 ¹⁶ до 5 × 10 ¹⁷ атомов бора на кубический сантиметр для первой и второй областей P 32 и 34, 1 × 10 ¹⁸ атома фосфора на кубический сантиметр для области 26 N +, более 1 × 10 ²⁰ атома мышьяка на кубический сантиметр для областей 38 и 42 N +, 1 × 10 ¹⁶ атома мышьяка на кубический сантиметр для N-эпитаксиального слоя 14, 1 × 10 ¹⁹ атома мышьяка на кубический сантиметр для субколлектора N + 12, 1 × 10 ¹⁹ атома бора для области изоляции 15 и 1 × 10 ¹⁵ атома бора для полупроводниковой подложки 10.

Структура, проиллюстрированная и описанная выше в связи с фиг. 1-4 чертежей могут быть успешно использованы, например, в логических схемах T ² L типа, проиллюстрированного на фиг. 5 рисунков. Эта логическая схема включает в себя входной NPN-транзистор T1, имеющий множество эмиттеров, подключенных к аналогичному множеству входных выводов и базу, и коллектор, подключенный к эмиттеру и базе, соответственно, входного ограничивающего PNP-транзистора P1. Коллектор PNP-транзистора P1 подключен к точке опорного потенциала, например к земле.Выходной NPN-транзистор T2 имеет коллектор, подключенный к выходной клемме, базу, подключенную к коллектору входного транзистора T1, и эмиттер, подключенный к земле. Выходной ограничивающий PNP-транзистор P2 имеет эмиттер, подключенный к базе выходного транзистора T2, базу, подключенную к коллектору выходного транзистора T2, и коллектор, подключенный к земле. Первый резистор нагрузки R1 подключен между источником потенциала питания VCC и базой входного транзистора T1, второй резистор нагрузки R2 подключен между источником потенциала питания VCC и базой выходного транзистора T2, а третий резистор нагрузки R3 является подключен между источником питающего потенциала VCC и коллектором выходного транзистора Т2.

При работе схемы по фиг. 5 на чертежах, когда все входные напряжения повышаются, входной транзистор T1 выключен, подтягивает узел 44 вверх и включает выходной NPN-транзистор T2 при низком уровне на выходном узле. PNP-транзистор P2 включается, предотвращая глубокое насыщение транзистора T2, тем самым обеспечивая улучшенные характеристики. когда одно или несколько входных напряжений являются низкими, входной транзистор T1 включен, подтягивая узел 44 к низкому уровню и выключающий выходной NPN-транзистор T2. PNP-транзистор P1 включается, когда T1 удерживает T1 от глубокого насыщения, тем самым снова обеспечивая улучшенные характеристики.

Вернемся теперь к фиг. 4 чертежей видно, что вид в разрезе представляет объединенную компоновку выходного NPN-транзистора T2 и выходного ограничивающего PNP-транзистора P2 или входного ограничивающего PNP-транзистора P1 и входного NPN-транзистора T1, но иллюстрирует только один из множество эмиттеров транзистора T1, показанного на фиг. 5 рисунков. Можно видеть, что ограничивающий PNP-транзистор P1 или P2 представлен на фиг. 4 областью 30 эмиттера P +, областью 26 базы N + и областью 32 первого коллектора P и что входной NPN-транзистор T1 или выходной NPN-транзистор T2 представлен областью 38 эмиттера N +, второй базовой областью 34 P и коллектором N + регион 26.

Следует отметить, что при правильной настройке уровней легирования в области 26 N + и области 30 P +, а также области эмиттера PNP-транзистора, PNP-транзисторы P1 и P2 должны включаться до включения переход коллектор-база NPN-транзисторов T1 и T2, таким образом, NPN-транзисторы T1 и T2 не находятся в состоянии глубокого насыщения.

Также можно видеть, что сегменты 28 поликремния на фиг. 4 можно удобно использовать как контакт к резистору R1 от базы входного транзистора T1 и как контакт к резистору R2 от базы выходного транзистора T2, показанного на фиг.5. Металлические контакты, такие как алюминий-медь-кремний, могут использоваться между коллектором входного транзистора T1 и базой выходного транзистора T2 и коллектором выходного транзистора T2 и резистором R3. Такие металлические контакты могут быть применены к областям 36 и 42 N +.

Следует также отметить, что вторая секция P 34 может использоваться как скрытый резистор, непосредственно подключенный к эмиттеру транзистора PNP, имеющего эмиттерную область 30, базовую область 26. и коллекторная область 32, образующая очень компактную структуру, для которой требуется только одно контактное отверстие.

Соответственно, можно видеть, что настоящее изобретение имеет много преимуществ по сравнению со структурами, раскрытыми в предшествующем уровне техники, которые включают в себя: (1) Использование транзистора PNP с двойным рассеиванием для ограничения насыщения транзистора NPN, что приводит к улучшенным характеристикам. по сравнению с традиционными конструкциями боковых PNP-транзисторов, поскольку ширина базы PNP-транзистора определяется боковыми диффузиями, а не фотолитографией. Это проявляется в улучшенном управлении транзистором PNP и, следовательно, характеристиками насыщения схемы и результирующей скоростью; (2) Двойной диффузионный PNP ограничивает входной ток пониженного уровня путем обхода избыточного тока на подложку и, следовательно, увеличения возможности разветвления логических схем; (3) Использование транзистора PNP с двойным рассеиванием и эмиттером из поликремния P + исключает использование металлизации контактов и позволяет прокладывать металлический провод над базовыми контактами NPN-транзистора или эмиттером PNP, что позволяет использовать дополнительную площадь ячейки или схемы для межэлементная разводка, повышающая производительность за счет увеличения количества проводных каналов, доступных в каждой ячейке или цепи; и (4) использование транзистора PNP с двойным рассеиванием и поликремния P +, одновременно обеспечивающего улучшенную структуру слитых ячеек и улучшенные характеристики транзистора PNP с двойным рассеиванием.

Хотя изобретение было конкретно показано и описано со ссылкой на его предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что в него могут быть внесены различные изменения в форме и деталях без отступления от сущности и объема изобретения.

Как узнать, насыщен ли транзистор?

Есть несколько способов узнать, насыщен ли транзистор или нет. Очень важно, чтобы при разработке транзистора для работы в качестве переключателя он работал в режиме насыщения и отсечки.Работа в режиме отсечки — это просто прерывание смещения транзистора. Однако работать с насыщением не так просто. Вам необходимо провести некоторые вычисления, измерения или моделирование, чтобы выбранные значения схемы действительно могли насыщать транзистор. Аналогичным образом, при использовании транзистора, который будет работать как линейная схема или усилитель, работа должна быть установлена в пределах активной области. Установка в активную область также требует усилий и анализа. В этой статье я поделюсь с вами методами или способами узнать, насыщен ли транзистор или нет.

Как узнать, насыщен ли транзистор — путем фактического тестирования

Вы можете сделать вывод о работе транзистора, если он насыщен или нет, выполнив фактические измерения. Контролируйте напряжение коллектор-эмиттер вашей цепи с помощью цифрового мультиметра. Если показание ниже 0,3 В, транзистор находится в состоянии насыщения. Транзисторы имеют диапазон напряжения насыщения от 0,7 В и ниже, но для схемы, рассчитанной на жесткое насыщение, VCE будет ниже. На рисунке ниже показано, как измерить напряжение коллектор-эмиттер транзистора в цепи.

VCE Measurement Setup

Этот метод вообще непрактичен. Как насчет того, что вы только что начали проект, не говорите мне, что вы создадите реальную схему, затем измеряете VCE и сделаете это для всех схем, в которых есть BJT в вашем проекте? В этом не будет смысла. И помимо усилий и времени, этот подход еще и дорогостоящий. Вам необходимо купить там макетные платы, провода и другие аксессуары. Однако, если вы уже находитесь на этапе проверки разработки вашего продукта, да, вы можете применить этот подход, потому что на этом этапе вы намеренно должны построить реальную схему.

Как узнать, насыщен ли транзистор — путем моделирования

В этом больше смысла, чем в первом методе. Выполняя моделирование, вы можете определить работу вашей схемы. Вы можете поместить пробник напряжения на коллектор-эмиттер и затем запустить симуляцию. Проблема с симуляцией

заключается в том, что не все типы транзисторов есть в библиотеке и с имеющейся моделью. Предположим, вы используете только бесплатный симулятор схем, такой как LTSpice, но вам все равно нужно создать модель транзистора, если ее нет во встроенной библиотеке моделей.Построить модель непросто для тех, кто впервые на ней работает.

Та же проблема с коммерческим симулятором схем, если модель недоступна, вам нужно построить свою собственную модель. Некоторые разработчики схем используют только доступную модель транзистора в библиотеке, однако это не дает точного результата.

Как узнать, насыщен ли транзистор — путем вычислений

Это старый подход, который не требует денег и не имеет ограничений, таких как доступность модели.Все, что вам нужно получить, это техническое описание устройства. Однако я рано скажу вам о недостатках этого подхода; для этого потребуются знания в области электроники и аналитические навыки. Но не волнуйтесь, я научу вас, как это делать.

Есть два способа узнать, насыщен транзистор или нет. Первый метод заключается в предположении, что схема работает в режиме насыщения. Второй способ — наоборот; Предположим, что схема работает линейно.

Метод 1. Предположим, что контур находится в состоянии насыщения

В этом методе мы изначально предполагаем, что цепь находится в режиме насыщения.Затем мы собираемся найти максимальное усиление схемы или бета, а затем сравнить его с минимальным усилением тока устройства. Если вычисленная максимальная бета-версия схемы меньше минимальной бета-версии устройства, да, предположение верно; транзистор работает в режиме насыщения. В противном случае он работает в линейном режиме.

Пример 1:

Давайте применим эту технику в схеме ниже.

Шаг 1. Решите для тока коллектора

Поскольку мы предполагаем, что цепь находится в состоянии насыщения, ток коллектора определяется только значением сопротивления коллектора Rc.

Вы можете включить значение напряжения насыщения транзистора, если хотите, получив его в таблице данных. В таком случае ток коллектора будет

VCEsat находится в диапазоне 0,7 В и ниже в зависимости от транзистора. Преимущество игнорирования напряжения насыщения коллектор-эмиттер состоит в том, что вы можете включить наихудший случай. Вы знаете, почему позже, так что продолжайте читать.

Шаг 2. Вычислить базовый ток

Поскольку значение Vbb равно 10 В,

переход база-эмиттер обязательно будет смещен в прямом направлении, а ток базы равен

(VBE для транзистора BC817-25 имеет типичное значение 0.7 В)

Шаг 3. Найдите коэффициент усиления схемы (бета)

Шаг 4. Сравните бета-версию схемы с минимальной бета-версией устройства

Для транзистора BC817-25 минимальное значение бета равно 160. Поэтому максимальное вычисленное значение бета очень мало, чем минимальное значение бета устройства, без сомнения, транзистор работает в режиме насыщения.

А теперь вернемся к вопросу, почему не включать устройство VCEsat выгодно. Вернитесь к решению, транзистор будет насыщаться, если ниже соотношение будет верным:

Если не считать VCEsat, вычисленная бета-версия схемы действительно является максимальной.Если критерий верен без VCEsat, нет сомнений в том, что он будет верным с VCEsat. Без включения напряжения насыщения стоимость спецификации не увеличится, но она может обеспечить запас для конструкции.

Проверка с помощью моделирования

По результатам моделирования, VCE составляет всего около 16 мВ. Для транзистора BC817-25 значение VCE ниже 700 мВ уже считается насыщением. Между тем, ток коллектора составляет около 20 мА.

Пример 2:

Используя ту же схему, но измените Rb на 200 кОм.

Шаг 1. Решите для тока коллектора

Шаг 2. Вычислить базовый ток

Шаг 3. Найдите коэффициент усиления схемы (бета)

Шаг 4. Сравните бета-версию схемы с минимальной бета-версией устройства

Исходя из результата, вышеупомянутый критерий не соответствует, потому что 438,596 больше 160. Следовательно, транзистор не насыщается (линейный режим).

Вычисленное бета больше бета транзистора. В реальной схеме это возможно? Ответ нет. Когда транзистор работает в линейном режиме, бета-коэффициент схемы всегда будет соответствовать коэффициенту усиления по току устройства, указанному в таблице данных. Вычисленное значение 438,596 — это просто результат предоставленных нами значений схемы и условий. Помните, что мы предполагаем, что схема работает в режиме насыщения, при использовании тока насыщения требуемая бета очень высока, и при этом транзистор должен работать в линейной области, чтобы избежать достижения этого тока и поддерживать конкретное усиление по току.

В приведенном выше методе мы использовали минимальную бета-версию устройства для сравнения. Бета-версия устройства имеет широкий диапазон, как указано в таблице данных. Например, для транзистора BC817-25 диапазон усиления по току обычно составляет 160-400. Так почему бы не использовать промежуточные значения или 400? Позвольте мне ответить так; когда ваша расчетная бета-версия схемы равна 200, а затем вы сравниваете ее с 400, тогда критерий все еще верен, и тогда вы делаете вывод, что транзистор насыщается. Однако, если фактическая бета-версия компонента для партии транзисторов находится на минимальном пределе (160), тогда ваша конструкция будет в беде.Ваша схема работает в активном режиме, а не в режиме насыщения, как ожидалось. Таким образом, используя минимальную бета-версию, все серые области будут устранены.

Проверка с помощью моделирования

По результатам моделирования, VCE составляет около 4,6 В, что выше, чем VCEsat любого транзистора. Несомненно, схема находится в активном режиме. С другой стороны, ток коллектора составляет около 15 мА. Это фактический ток в цепи при активной работе. Вычисленный нами выше ток коллектора составляет 20 мА, но это не фактический ток, поскольку схема не работает в режиме насыщения.

В этом методе, когда нижеприведенный критерий истинен, вычисленный ток коллектора является фактическим током коллектора схемы. В противном случае вычисленный ток коллектора необходимо пересчитать с использованием линейного анализа.

Линейный анализ — это метод, который мы обычно делаем в колледже, с помощью которого мы вычисляем ток коллектора, используя данную бета-версию устройства. Этот анализ будет рассмотрен с помощью метода 2 ниже.

Метод 2: Предположим, что цепь работает в линейной области

В этом методе мы предполагаем, что транзистор работает линейно.Если схема действительно работает в линейной области, должен выполняться критерий ниже:

Пример 3:

Используя ту же схему, что и в Примере 1 (перерисовано ниже), определите работу схемы, используя метод 2.

Шаг 1. Вычислить базовый ток

Шаг 2: Вычислить ток коллектора

Поскольку здесь мы предполагаем, что операция изначально линейная, ток коллектора должен быть вычислен с использованием бета-версии устройства.При линейном режиме работы бета-версия схемы определяется бета-версией устройства. Кроме того, теперь мы собираемся рассмотреть максимальную бета-версию устройства, так как это может дать максимальный ток коллектора. Давайте использовать 300 для бета-версии устройства.

Шаг 3: Вычисление минимальной схемы VCE

Шаг 4: Сравните минимальную схему VCE с устройством VCEsat max

-2770 В намного ниже максимального значения VCEsat BC817-25, которое составляет около 0,7 В. Ниже критерий не выполняется.Следовательно, транзистор насыщается.

Я хочу об этом упомянуть. Фактическая цепь VCE не может быть отрицательной, потому что в цепи нет отрицательного источника питания. Отрицательное значение будет зафиксировано на уровне земли, равном нулю вольт. Результаты вычислений говорят только о том, насколько насыщена схема.

Почему на этот раз использовалась максимальная бета-версия устройства? Это потому, что он может дать максимальный ток коллектора, а вычисленная схема VCE имеет минимальное значение. Если вы собираетесь использовать минимальную бета-версию или любые значения между минимальным и максимальным диапазоном, это вызовет тень сомнения.Когда вы собираетесь использовать минимальную бета-версию устройства, а затем вы получаете, например, схему VCE 1 В. Тогда вы сделаете вывод, что критерий верен и схема действительно работает в линейной области. Как насчет того, чтобы фактическая бета-версия устройства находится в верхнем пределе, напряжение цепи VCE опустится ниже 1 В и войдет в область насыщения.

Пример 4:

Используя ту же схему, что и в примере 3, но измените значение Rb на 200 кОм, определите работу схемы, используя метод 2.

Шаг 1. Вычислить базовый ток

Шаг 2: Вычислить ток коллектора

(бета-версия устройства — 300, как показано в примере 3 выше)

Шаг 3. Вычисление минимальной схемы VCE

Шаг 4: Сравните минимальную схему VCE с устройством VCEsat max

Минимальный VCE схемы все еще выше, чем максимальное напряжение насыщения транзистора, и ниже критерия удовлетворяется.Несомненно, схема работает в линейной области.

Поскольку схема работает в линейной области,
вычисленный ток коллектора является фактическим током коллектора схемы, учитывая, что бета все еще равна 300. Когда вы выполняете моделирование, модель устройства использует типичное значение бета, которое находится в пределах минимального и максимального значений. диапазон, поэтому вы можете получить немного другой результат с указанным выше током коллектора и VCE. Если вам удастся получить типичную бета-версию устройства, а затем использовать ее в приведенном выше анализе, вы сделаете моделирование и вычисления одинаковыми.

Сводка

Есть разные способы узнать, насыщается транзистор или нет. Выберите один из этих методов, который, по вашему мнению, является наиболее простым для вас. Метод вычисления может быть трудным для вас, особенно если вы только начинаете заниматься дизайном. Однако, если вы будете использовать его часто, вам станет очень легко. Преимущество метода расчета заключается в том, что вы можете рассмотреть наихудший случай, таким образом, вы можете гарантировать высокое качество продукта, а также надежную и прочную конструкцию.Вам не понадобится также программное обеспечение для моделирования и построения модели на используемом вами транзисторе. Вам не нужно будет создавать прототип для измерения VCE, что позволяет сэкономить время и деньги.

Я сделал шаблон дизайна или калькулятор, который может вычислить токи в цепи, рассеиваемую мощность, напряжения и определить режим работы транзистора, если он насыщен или линейен.

Этот конструктор схем очень универсален. Вы можете использовать его с самосмещением, эмиттерным смещением и делителем напряжения.На нем можно играть. Для версии NPN нажмите ЭТО. Для версии PNP щелкните ЗДЕСЬ.

Связанные

Область насыщения

— обзор

4.4.2 Области работы полевого МОП-транзистора

Большинство полевых МОП-транзисторов, используемых в приложениях силовой электроники, относятся к n-канальному типу расширения, как показано на рис. 4.6a. Чтобы МОП-транзистор пропускал ток стока, необходимо создать канал между стоком и истоком. Это происходит, когда напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение устройства, В _Th.Для v _GS> V _Th устройство может находиться либо в области триода, которая также называется областью «постоянного сопротивления», либо в области насыщения, в зависимости от значения v _DS. Для данного v _GS, с малым v _DS ( v _DS < v _GS — V _Th ), устройство работает в триоде область (область насыщения в BJT), а для больших v _DS ( v _DS> v _GS — V _Th ) устройство переходит в область насыщения ( активная область в БЮТ).Для v _GS < V _Th устройство отключается, ток стока почти равен нулю. В обоих режимах работы ток затвора практически равен нулю. Вот почему полевой МОП-транзистор известен как устройство, управляемое напряжением, и, следовательно, требует простой схемы управления затвором.

Характеристические кривые на рис. 4.6b показывают, что есть три различных рабочих области, обозначенных как область триода, область насыщения и область отсечки.При использовании в качестве переключающего устройства используются только триод и области отсечки, тогда как при использовании в качестве усилителя полевой МОП-транзистор должен работать в области насыщения, которая соответствует активной области в биполярном транзисторе.

Устройство работает в области отсечки (выключенное состояние), когда v _GS < V _Th, что приводит к отсутствию индуцированного канала. Чтобы использовать полевой МОП-транзистор в области триода или насыщения, сначала необходимо индуцировать канал.Это может быть достигнуто путем приложения напряжения затвор-исток, которое превышает В _Th, т.е.

vGS> VTh

После того, как канал индуцируется, полевой МОП-транзистор может работать либо в области триода (когда канал является непрерывным без отсечки, в результате чего ток стока пропорционален сопротивлению канала) или в области насыщения (канал отсекается, что приводит к постоянному I _D). Напряжение смещения затвор-сток ( В, _GD) определяет, входит ли индуцированный канал в отсечку или нет.На это распространяется следующее ограничение.

Для режима работы триода имеем

vGD> VThvGD

А для области насыщения работы

Отключение происходит, когда vGD = VTh.

В терминах v _DS указанные выше неравенства могут быть выражены следующим образом:

1.

Для области работы триода

(4.3) vDS VTh

2.

Для рабочей области насыщения

(4.4) vDS> vGS − VTh и vGS> VTh

3.

Для рабочей области отсечки

(4.5) vGS

It Можно показать, что ток стока, i _D, можно математически аппроксимировать следующим образом:

(4.6) iD = K [2 (vGS − VTh) vDS − vDS2] Triode Region

(4.7) iD = K (vGS − VTh) 2 Область насыщения

где,

K = 12 мкнCOX (WL)

µ _n = подвижность электронов

C _{оксид емкость на единицу площади}

L = длина канала

Вт = ширина канала.

Типичные значения вышеуказанных параметров приведены в модели PSPICE, обсуждаемой ниже. На границе между областями насыщения (активной) и триода имеем,

(4.8) vDS = vGS − VTh

В результате получаем следующее уравнение для i _D,

(4.9) iD = kvDS2

Кривая входных передаточных характеристик для i _D и v _S. v _GS — это когда устройство работает в области насыщения, показанной на рис.4.10.

РИСУНОК 4.10. Входные передаточные характеристики для полевого МОП-транзистора при работе в области насыщения.

Модель эквивалентной схемы большого сигнала для n-канального полевого МОП-транзистора улучшенного типа, работающего в режиме насыщения, показана на рис. 4.11. Ток стока представлен источником тока как функция В _Th и В _GS.

РИСУНОК 4.11. Модель эквивалентной схемы большого сигнала.

Если мы предположим, что как только канал отсечен, ток сток-исток больше не будет постоянным, а будет зависеть от значения v _DS, как показано на рис. 4.12. Повышенное значение v _DS приводит к уменьшению длины канала, что приводит к явлению, известному как модуляция длины канала [3, 4]. Если линии v _DS –i _D удлиняются, как показано на рис. 4.12, все они пересекают ось v _DS в единственной точке, помеченной −1 / λ, где λ — положительный постоянный параметр MOSFET.Член (1 + λ v _DS) добавляется к уравнению i _D, чтобы учесть увеличение i _D из-за модуляции длины канала, т. Е. i _D определяется по,

РИСУНОК 4.12. Кривая характеристик полевого МОП-транзистора, включая выходное сопротивление.

(4.10) iD = k (vGS − VTh) 2 (1 + λvDS) Область насыщения

Из определения r _o, данного в уравнении.(4.1) легко показать выходное сопротивление полевого МОП-транзистора, которое можно выразить следующим образом:

(4.11) ro = 1λk (vGS-VTh)

Если предположить, что полевой МОП-транзистор работает в условиях слабого сигнала, т. Е. Изменение в v _GS на i _D vs v _GS находится по соседству с рабочей точкой постоянного тока Q на i _D и v _GS, как показано на рис.4.13. В результате источник тока i _D может быть представлен как произведение уклона g _м и v _GS, как показано на рис. 4.14.

РИСУНОК 4.13. Линеаризованная кривая i _D и v _GS с рабочей точкой постоянного тока (Q).

РИСУНОК 4.14. Эквивалентная схема слабого сигнала, включая выходное сопротивление полевого МОП-транзистора.

Обзор биполярных транзисторов

Биполярный транзистор, полное название биполярного переходного транзистора (BJT), представляет собой электронное устройство с тремя выводами, состоящее из трех частей полупроводников с разными уровнями легирования. Поток заряда в транзисторе происходит в основном за счет диффузионного и дрейфового движения носителей в PN-переходе …

Bipolar T ransistor , полное название bipolar junction transistora> (BJT), представляет собой электронное устройство с тремя клеммы, изготовленные из трех частей из полупроводников с разным уровнем легирования.Поток заряда в транзисторе в основном происходит из-за диффузионного и дрейфового движения носителей в PN-переходе.

Работа этого типа транзистора связана с потоком электронов и дырок, поэтому он является биполярным и называется биполярным транзистором-носителем. Этот режим работы отличается от униполярных транзисторов, таких как полевые транзисторы, которые включают дрейф только одного типа несущей. Граница между двумя различными областями накопления примеси образована PN-переходом.

Биполярные транзисторы
могут усиливать сигналы и обладают хорошим регулированием мощности, высокой скоростью работы и долговечностью, поэтому их часто используют для формирования схем усилителя или привода динамиков, двигателей и другого оборудования. Они также широко используются в аэрокосмической технике, медицинском оборудовании и роботах.

Основы биполярных транзисторов
Каталог
I Транзистор биполярный и униполярный
Биполярный транзистор — революционное изобретение в истории электроники.Его изобретатели Уильям Шокли, Джон Бардинг и Уолтер Брэтон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 году.
Работа этого типа транзистора включает поток как электронных , так и дырочных носителей , поэтому он является биполярным и называется биполярным транзистором-носителем. Этот режим работы отличается от униполярных транзисторов, таких как полевые транзисторы, которые включают дрейф только одного типа несущей. Граница между двумя различными областями накопления легирующей примеси образована PN-переходом.
BJT
полевой транзистор
Устройство с токовым управлением
Устройство управляемое напряжением
Имеет низкое входное сопротивление
Имеет очень высокое входное сопротивление
Биполярное устройство
Устройство униполярное
Более шумный
Менее шумный
Менее термостабильный
Более стабильная температура
Обычно большой размер
Обычно небольшие по размеру
Биполярные транзисторы
состоят из трех частей полупроводников с различными уровнями легирования .Поток заряда в транзисторе в основном происходит из-за диффузионного и дрейфового движения носителей в PN-переходе. Если взять в качестве примера NPN-транзистор, согласно конструкции, электроны в высоколегированной области эмиттера перемещаются к базе посредством диффузии. В основной области дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями. Поскольку площадь основания очень тонкая, эти электроны достигают коллектора посредством дрейфующего движения, тем самым формируя ток коллектора, поэтому биполярные транзисторы классифицируются как устройства с неосновными носителями.
Биполярные транзисторы
могут усиливать сигналы и обладают хорошим регулированием мощности, возможностью высокоскоростной работы и долговечностью, поэтому они часто используются для формирования схем усилителя или привода динамиков, двигателей и другого оборудования, а также широко используются в аэрокосмической технике, медицинском оборудовании. и роботы.
II Как работает биполярный транзистор?
Здесь мы берем биполярный транзистор NPN в качестве цели для обсуждения принципа работы биполярных транзисторов.
Биполярный транзистор типа NPN можно рассматривать как два диода с общим анодом, соединенных вместе. При нормальной работе биполярного транзистора переход база-эмиттер («коллекторный переход») находится в состоянии прямого смещения, в то время как база-коллектор («коллекторный переход») находится в состоянии обратного смещения.
Рисунок 1. Поперечное сечение биполярного транзистора PNP
Когда нет приложенного напряжения, концентрация электронов в N-области эмиттерного перехода (большинство носителей в этой области) больше, чем концентрация электронов в P-области, и часть электронов будет диффундировать в P-область. .Таким же образом часть отверстий в области P также будет распространяться в область N. Таким образом, на эмиттерном переходе образуется область пространственного заряда (также известная как обедненный слой), генерирующая внутреннее электрическое поле, направление которого — от области N к области P. Это электрическое поле будет препятствовать дальнейшему протеканию вышеупомянутого процесса диффузии и достичь динамического баланса.
В это время, если прямое напряжение приложено к эмиттерному переходу, динамический баланс между вышеупомянутой диффузией носителей и внутренним электрическим полем в обедненном слое будет нарушен, что вызовет инжекцию термически возбужденных электронов в базовый регион.В NPN-транзисторе базовая область легирована P-типом, где дырки являются основной примесью, поэтому электроны в этой области называются «неосновными носителями».
С одной стороны, электроны, инжектированные из эмиттера в базовую область, здесь рекомбинируют с дырками основных носителей заряда, с другой стороны, потому что базовая область слабо легирована с тонким физическим размером, а коллекторный переход находится в обратном смещении В таком состоянии большая часть электронов достигнет области коллектора посредством дрейфующего движения, образуя ток коллектора.
Чтобы минимизировать рекомбинацию электронов до того, как они достигнут коллекторного перехода, базовая область транзистора должна быть сделана достаточно тонкой, чтобы время, необходимое для диффузии носителей, было меньше, чем время жизни неосновных полупроводниковых носителей.
При этом толщина базы должна быть намного меньше диффузионной длины электронов (см. Закон Фика). В современных биполярных транзисторах толщина базовой области обычно составляет несколько десятых микрон.
Следует отметить, что, хотя коллектор и эмиттер легированы N-типом, степень легирования и физические свойства у них не одинаковы. Следовательно, биполярный транзистор следует отличать от двух диодов, соединенных последовательно в противоположных направлениях.
III Типы биполярных транзисторов
Биполярный транзистор состоит из трех различных областей легированного полупроводника, которые представляют собой эмиттерную область , базовую область и коллекторную область .Эти области представляют собой полупроводники N-типа, P-типа и N-типа в транзисторах типа NPN и полупроводники P-типа, N-типа и P-типа в транзисторах типа PNP. Каждая полупроводниковая область имеет штыревой конец, обычно с буквами E, B и C, обозначающими эмиттер, базу и коллектор.
База физически расположена между эмиттером и коллектором, и она сделана из легированных материалов с высоким удельным сопротивлением. Коллектор окружает основание. Из-за обратного смещения коллекторного перехода электроны отсюда трудно инжектировать в область базы.Это приводит к тому, что коэффициент усиления по току общей базы становится примерно равным 1, в то время как коэффициент усиления по току общего эмиттера больше. Числовое значение.
В биполярном транзисторе NPN площадь коллекторного перехода больше, чем эмиттерного перехода. Кроме того, эмиттер имеет относительно высокую концентрацию легирования.
В нормальных условиях некоторые области биполярных транзисторов имеют асимметричные физические свойства и геометрические размеры. Предполагая, что транзистор, включенный в схему, расположен в области прямого усилителя, если в это время поменять местами соединение коллектора и эмиттера транзистора в схеме, транзистор выйдет из области прямого усилителя и войдет в рабочую область обратного направления.
Внутренняя структура транзистора определяет, что он подходит для работы в области прямого усилителя, поэтому коэффициент усиления по току общей базы и коэффициент усиления по току общего эмиттера в обратной рабочей области намного меньше, чем в области прямого усилителя.
Эта функциональная асимметрия в основном связана с разными уровнями легирования эмиттера и коллектора. Следовательно, в NPN-транзисторе, хотя коллектор и эмиттер оба легированы N-типом, электрические свойства и функции обоих не могут быть взаимозаменяемы вообще.
Эмиттерная область имеет наивысшую степень легирования , коллекторная область является второй, а базовая область имеет наименьшую степень легирования. Кроме того, физические размеры трех регионов также различаются. Базовая область очень тонкая, а площадь коллектора больше, чем площадь эмиттера. Поскольку биполярный транзистор имеет такую структуру материала, он может обеспечивать обратное смещение для коллекторного перехода, но при этом предполагается, что обратное смещение не может быть слишком большим, иначе транзистор будет поврежден.Целью сильного легирования эмиттера является повышение эффективности инжекции электронов из эмиттера в базовую область для достижения максимально возможного усиления по току.
При соединении биполярных транзисторов с общим эмиттером небольшие изменения напряжения, приложенного к базе и эмиттеру, вызовут значительные изменения тока между эмиттером и коллектором. Используя это свойство, вы можете усилить входной ток или напряжение.
Что касается базы биполярного транзистора в качестве входа и коллектора в качестве выхода, двухпортовая сеть может быть проанализирована с помощью теоремы Тевенина.Используя принцип эквивалентности, биполярный транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, или источник напряжения, управляемый током.
1.
NPN Тип
NPN-транзистор — это один из двух типов биполярных транзисторов. Он состоит из двух слоев легированных областей N-типа и слоя легированного полупроводника P-типа (основы) между ними. Крошечный ток, подаваемый на базу, будет усилен, создавая больший ток коллектор-эмиттер.
Когда базовое напряжение NPN-транзистора выше, чем напряжение эмиттера, а напряжение коллектора выше, чем базовое напряжение, транзистор находится в состоянии прямого усилителя.В этом состоянии между коллектором и эмиттером транзистора есть ток. Усиленный ток является результатом того, что электроны инжектируются эмиттером в базовую область (неосновные носители в базовой области) и перемещаются к коллектору под действием электрического поля. Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок , большинство используемых сегодня биполярных транзисторов относятся к типу NPN.
Электрический символ биполярного транзистора NPN показан справа, а стрелка между базой и эмиттером указывает на эмиттер.
Рисунок 2. a) Обозначение биполярного транзистора NPN b) Обозначение биполярного транзистора PNP
2.
PNP Тип
Другой тип — биполярный транзистор PNP, который состоит из двух слоев легированных областей P-типа и слоя легированных полупроводников N-типа между ними. Крошечный ток, протекающий через базу, может быть усилен на конце эмиттера. Другими словами, когда базовое напряжение PNP-транзистора ниже, чем у эмиттера, напряжение коллектора ниже, чем базовое напряжение, и транзистор находится в области прямого усилителя.
В символе биполярного транзистора стрелка между базой и эмиттером указывает направление тока. В отличие от типа NPN, стрелка транзистора типа PNP указывает от эмиттера к базе.
3.
Гетеропереход
Биполярный транзистор с гетеропереходом — это улучшенный биполярный транзистор, который имеет возможность высокоскоростной работы . Исследования показали, что этот транзистор может обрабатывать сверхвысокочастотные сигналы с частотами до нескольких сотен ГГц, поэтому он подходит для приложений, требующих жестких рабочих скоростей, таких как усилители мощности ВЧ и драйверы лазеров.
Гетеропереход — это тип PN-перехода. Два конца этого перехода изготовлены из различных полупроводниковых материалов . В этом типе биполярного транзистора эмиттерный переход обычно имеет структуру гетероперехода, то есть материал с широкой запрещенной зоной используется в области эмиттера, а материал с узкой запрещенной зоной используется в области базы. Обычный гетеропереход использует GaAs для создания основной области и AlxGa1-xAs для создания области эмиттера. С такой структурой гетероперехода можно повысить эффективность инжекции биполярного транзистора, а также повысить коэффициент усиления по току на несколько порядков.
Концентрация легирования в базовой области биполярного транзистора с гетеропереходом может быть значительно увеличена, так что сопротивление базового электрода и ширина базовой области могут быть уменьшены. В традиционном биполярном транзисторе, то есть транзисторе с гомопереходом, эффективность инжекции носителей из эмиттера в базу в основном определяется соотношением легирования эмиттера и базы. В этом случае, чтобы получить более высокую эффективность инжекции, базовая область должна быть слегка легирована, что неизбежно увеличивает базовое сопротивление.
В базовой области состав полупроводникового материала распределен неравномерно, что приводит к постепенному изменению ширины запрещенной зоны базовой области. Эта медленно изменяющаяся ширина запрещенной полосы может создавать внутреннее электрическое поле для неосновных носителей, ускоряющее их через базовую область. Это дрейфовое движение будет иметь синергетический эффект с диффузионным движением, чтобы уменьшить время прохождения электронов через базовую область, тем самым улучшая высокочастотные характеристики биполярного транзистора.
Параметры
Si Биполярный
SiGe HBT
GaAs полевой транзистор
GaAs HEMT
GaAs HBT
Прирост
Обычный
Хорошо
Хорошо
Хорошо
Хорошо
Плотность мощности
Хорошо
Хорошо
Обычный
Отлично
Хорошо
Эффективность
Обычный
Хорошо
Отлично
Хорошо
Хорошо
Знак отличия
Отлично
Хорошо
Отлично
Отлично
Хорошо
Напряжение пробоя
Отлично
Отлично
Хорошо
Хорошо
Хорошо
Одиночный источник питания
√
×
×
√
Хотя для создания транзисторов с гетеропереходом можно использовать множество различных полупроводников, чаще используются транзисторы с гетеропереходом кремний-германий и транзисторы с гетеропереходом на основе арсенида алюминия и галлия.Процесс изготовления транзисторов с гетеропереходом представляет собой кристаллическую эпитаксию, такую как эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) и молекулярно-лучевая эпитаксия.
IV Параметры
1.
Рассеиваемая мощность коллектора
Максимальная рассеиваемая мощность коллектора биполярного транзистора — это максимальная мощность, при которой устройство может нормально работать при определенной температуре и условиях рассеивания тепла. В тех же условиях, если фактическая мощность превышает это значение, температура транзистора превысит максимально допустимое значение, что ухудшит производительность устройства и даже вызовет физическое повреждение.
2.
Ток и напряжение
Когда ток коллектора увеличивается до определенного значения, хотя биполярный транзистор не будет поврежден, коэффициент усиления по току будет значительно уменьшен. Чтобы транзистор нормально работал, как задумано, необходимо ограничить значение тока коллектора. Кроме того, поскольку биполярные транзисторы имеют два PN перехода, их обратное напряжение смещения не может быть слишком большим, чтобы предотвратить обратный пробой PN перехода.Эти параметры подробно перечислены в таблице данных биполярного переходного транзистора.
Когда напряжение обратного смещения коллектора силового биполярного транзистора превышает определенное значение, а ток, протекающий через транзистор, превышает определенный допустимый диапазон, в результате чего мощность транзистора превышает критическую мощность вторичного пробоя, возникает своего рода возникнет опасное явление « секундная поломка ». В этом случае ток, выходящий за пределы расчетного диапазона, вызовет локальный температурный дисбаланс в различных областях внутри устройства, а температура в некоторых областях выше, чем в других областях.
Поскольку легированный кремний имеет отрицательный температурный коэффициент , его проводимость выше, когда он находится при более высокой температуре. Таким образом, более горячая часть может проводить больше тока, и эта часть тока будет генерировать дополнительное тепло, в результате чего локальная температура превысит нормальное значение, и устройство не сможет нормально работать.
Вторичный пробой — это разновидность теплового разгона. При повышении температуры проводимость будет еще больше увеличиваться, вызывая порочный круг и в конечном итоге серьезно разрушая структуру транзистора.Весь процесс вторичной поломки может быть завершен за миллисекунды или микросекунды.
Если эмиттерный переход биполярного транзистора обеспечивает обратное смещение, которое превышает допустимый диапазон и не ограничивает ток, протекающий через транзистор, в эмиттерном переходе произойдет лавинный пробой, который приведет к повреждению устройства.
3.
Температурный дрейф
Как аналоговое устройство, все параметры биполярных транзисторов в той или иной степени зависят от температуры, особенно на коэффициент усиления по току.Согласно исследованиям, каждый раз при повышении температуры на 1 градус Цельсия коэффициент усиления тока увеличивается примерно на 0,5–1%.
4.
Радиационная стойкость
Биполярные транзисторы более чувствительны к ионизирующему излучению . Если транзистор находится в среде ионизирующего излучения, устройство будет повреждено излучением. Повреждение происходит из-за того, что излучение вызывает дефекты в области основания, которые образуют центры рекомбинации в энергетической зоне.Это приведет к более короткому сроку службы неосновных носителей, которые работают в устройстве, что, в свою очередь, постепенно снизит производительность транзистора.
Биполярные транзисторы
типа NPN имеют большую эффективную площадь рекомбинации носителей в радиационной среде, и отрицательное влияние более значимо, чем у транзисторов типа PNP. В некоторых специальных приложениях, таких как электронные системы управления в ядерных реакторах или космических кораблях, должны использоваться специальные меры для смягчения негативного воздействия ионизирующего излучения.
В Рабочая область
В зависимости от состояния смещения трех выводов транзистора можно определить несколько различных рабочих областей биполярного транзистора. В полупроводниках NPN (примечание: профили напряжения PNP-транзисторов и NPN-транзисторов прямо противоположны) по смещению эмиттерного перехода и коллекторного перехода рабочую область можно разделить на:
1.
Область усилителя биполярного транзистора
(1) Область прямого усилителя
Когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход — в обратном, транзистор работает в области усилителя.Целью разработки большинства биполярных транзисторов является получение максимального коэффициента усиления по току с общим эмиттером , бф в области прямого усилителя. Когда транзистор работает в этой области, ток коллектор-эмиттер и ток базы примерно линейны. Из-за усиления тока, когда ток базы немного нарушен, ток коллектор-эмиттер значительно изменится.
(2) Область обратного усилителя
Если вышеупомянутые напряжения смещения эмиттера и коллектора транзистора в области прямого усилителя поменять местами, биполярный транзистор будет работать в области обратного усилителя.В этом режиме работы области эмиттера и коллектора полностью противоположны функциям в области прямого усилителя. Однако, поскольку концентрация легирования коллектора транзистора ниже, чем у эмиттера, эффект, производимый областью обратного усилителя, не такой, как в области прямого усилителя.
Целью конструкции большинства биполярных транзисторов является получение максимального усиления по току прямого усилителя. Следовательно, коэффициент усиления по току в области обратного усилителя будет меньше, чем в области прямого усилителя.Фактически, этот режим работы вряд ли принят, но для предотвращения повреждения устройства или других опасностей, вызванных неправильным подключением, его необходимо учитывать при проектировании. Кроме того, некоторые типы биполярных логических устройств также учитывают область обратного усилителя.
Рис. 3. Отсечка и насыщение BJT в прямом и обратном направлениях
2. Область насыщенности
Когда два PN перехода в биполярном транзисторе оба смещены в прямом направлении, транзистор будет в области насыщения.В это время ток от эмиттера до коллектора транзистора достигает максимального значения. Даже если базовый ток увеличится, выходной ток больше не будет увеличиваться. Область насыщения может использоваться для обозначения высокого уровня логических устройств.
3.
Область отсечения
Если смещение двух PN переходов биполярного транзистора точно противоположно смещению в области насыщения, то транзистор будет в области отсечки.В этом режиме работы выходной ток очень мал (менее 1 мкА для маломощных кремниевых транзисторов и менее даже мкА для германиевых транзисторов), что можно использовать для представления низких уровней в цифровой логике.
4.
Лавина
Когда обратное смещение, приложенное к коллекторному переходу, превышает диапазон, который может выдержать коллекторный переход, PN-переход будет поврежден. Если сила тока достаточно велика, устройство выйдет из строя.
Кроме того, когда мы анализируем и проектируем схемы биполярных транзисторов, следует отметить, что максимальная мощность рассеивания коллектора Pcm биполярного транзистора не может быть превышена. Если рабочая мощность транзистора меньше этого значения, совокупность этих рабочих состояний называется безопасной рабочей зоной. Если рабочая мощность транзистора превышает этот предел, температура устройства выйдет за пределы нормального диапазона, и производительность устройства значительно изменится и даже вызовет повреждение.
Допустимая температура перехода кремниевых транзисторов составляет от 150 до 200 градусов Цельсия. Максимально допустимое рассеивание мощности может быть увеличено за счет уменьшения внутреннего теплового сопротивления, использования радиаторов и принятия таких мер, как воздушное охлаждение, водяное охлаждение и охлаждение масла.

BJT	полевой транзистор
Устройство с токовым управлением	Устройство управляемое напряжением
Имеет низкое входное сопротивление	Имеет очень высокое входное сопротивление
Биполярное устройство	Устройство униполярное
Более шумный	Менее шумный
Менее термостабильный	Более стабильная температура
Обычно большой размер	Обычно небольшие по размеру

Параметры	Si Биполярный	SiGe HBT	GaAs полевой транзистор	GaAs HEMT	GaAs HBT
Прирост	Обычный	Хорошо	Хорошо	Хорошо	Хорошо
Плотность мощности	Хорошо	Хорошо	Обычный	Отлично	Хорошо
Эффективность	Обычный	Хорошо	Отлично	Хорошо	Хорошо
Знак отличия	Отлично	Хорошо	Отлично	Отлично	Хорошо
Напряжение пробоя	Отлично	Отлично	Хорошо	Хорошо	Хорошо
Одиночный источник питания	√		×	×	√