Структура биполярного транзистора (бт) и назначение основных областей. Принцип усиления мощности. Режимы работы: активный, насыщения, отсечки, инверсный
Биполярный транзистор – система двух взаимодействующих p-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями обоих знаков. В зависимости от чередования p- и n- областей различают npn /обратные/ и pnp /прямые/ транзисторы.
Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — большая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.
Принцип действия транзистора
В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора. Уровни электронов и дырок примерно равны.
Режимы работы биполярного транзистора
Нормальный активный режим
Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт)
Инверсный активный режим
Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
У вас большие запросы!
Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.
Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.
Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.
Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад
1.4. Режимы работы биполярных транзисторов
Центральная область транзистора, называемая базой , заключена между коллектором и эмиттером . Толщина базы мала и не превышает нескольких микрон. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным , а между базой и коллектором – коллекторным . Каждый из p–n- переходов транзистора может быть смещён либо в прямом, либо в обратном направлении.
В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора:
– активный (режим усиления). Эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном;
– отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении;
– насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении;
– инверсный – эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный в прямом.
Рассмотрим подробнее каждый из режимов работы транзистора на примере транзистора n–p–n- типа.
Активный режим. Поскольку на базу подается положительное напряжение и переход база–эмиттер смещён в прямом направлении, происходит инжекция зарядов из эмиттера в базу. Поскольку область эмиттера легирована сильнее, чем область базы, которая к тому же имеет малую толщину, только малая доля электронов рекомбинируетв области базы, большая же часть из них достигает коллектора. Переход база–коллектор смещён в обратном направлении, поэтому электроны, добравшиеся до него, втягиваются полем перехода в коллектор – так называемая экстракцияэлектронов в коллектор.
Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны соотношениями:
Множитель α называют коэффициентом передачи тока эмиттера .
У современных транзисторов α = 0,99–0,995. Из формулы 1.3 следует, что
I к = 1 − α α I б =β ст I б .
Множитель β называют коэффициентом усиления тока базы . Так как значение α близко к единице, то β может принимать большие значения. Для дискретных n–p–n -транзисторов он лежит в диапазоне от 150 до 400. При расчётах к коэффициенту β следует относиться с осторожностью, поскольку даже среди транзисторов одной серии он может меняться в значительных пределах.
В активном режиме большой ток коллектора управляется малым током базы (или напряжением на переходе база–эмиттер) и почти не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку последний смещен в обратном направлении. При этом напряжение на коллекторе должно быть выше напряжения на эмиттере, иначе транзистор перейдёт в режим насыщения. Активный режим является основным при усилении малых входных сигналов.
Режим отсечки . Инжекция основных носителей в область базы наблюдается в том случае, если переход база–эмиттер смещён в прямом направлении. Если напряжение U бэ меньше пороговой величины (0,6 В для кремниевых транзисторов), заметной инжекции носителей в базу не наблюдается. При этом I э = I б = 0. Следовательно, ток коллектора также равен нулю. Таким образом, для режима отсечки справедливы условия: U бэ < 0,6 B или I б = 0.
В режиме отсечки транзистор полностью закрыт, и поскольку ток коллектора стремится к нулю, сопротивление канала транзистора крайне велико, по сути представляя собой разрыв цепи. При расчетах транзистор в режиме отсечки можно просто исключить из схемы.
Режим насыщения. Если оба перехода смещены в прямом направлении, носители инжектируются в базу как из эмиттера, так и из коллектора. В этом режиме ток коллектора максимален и не зависит от тока базы. Коллекторный переход отпирается, если напряжение коллектор–база U кб < –0,4 В. При этом напряжение коллектор–эмиттер не превышает напряжения насыщения: U кэ < U кэнас . Значение U кэнас находится в пределах 0,2. 0,3 В.
В режиме насыщения сопротивление канала транзистора уменьшается до минимально возможного значения, поэтому при расчётах его можно заменить коротким замыканием. Режимы отсечки и насыщения биполярных транзисторов являются основными, когда они работают в ключевых и логических схемах.
Инверсный режим . Биполярный транзистор является симметричным прибором в том смысле, что область полупроводника с одним типом проводимости располагается между двумя областями с другим типом проводимости. Поэтому транзистор можно включить так, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный в обратном. При этом эмиттер играет роль коллектора, а коллектор эмиттера. Такой режим работы биполярного транзистора называют инверсным. Однако коллектор и эмиттер изготавливают неодинаковыми, чтобы наибольшее усиление достигалось в активном режиме. В инверсном режиме усиление транзистора невелико. Такой режим используют в некоторых цифровых схемах (например, в линейных ключевых схемах).
Барьерный режим . В этом режиме база транзистора соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включённый последовательно с резистором, ограничивающем ток через него. Подобное включение позволяет работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур, не предъявляя требований к параметрам транзисторов.
1.5. ЛФЧХ и ЛАЧХ транзисторного каскада с общим эмиттером
Логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика (ЛАФЧХ) – это зависимость амплитуды и фазы выходного сигнала некоторой системы от частоты её входного гармонического сигнала, представленная в логарифмическом масштабе. В иностранной литературе ЛАФЧХ часто называют диаграммой Боде или графиком Боде по имени выдающегося ин-
женера Хенрика Боде (Hendrik Wade Bode).
ЛАФЧХ строится в виде двух графиков: логарифмической амплитудночастотной характеристики (ЛАЧХ) и логарифмической фазочастотной характеристики (ЛФЧХ), обычно располагаемые друг под другом.
Примеры ЛАЧХ и ЛФЧХ простейших RC-фильтров: нижних (1) и верхних (2) частот (рис. 1.9, а и б соответственно) приведены на рис. 1.9, г и д . ЛАФЧХ получены в MC12 в режиме частотного анализа (AC). Получение спектральных составляющих гармоник сигнала в MC12 обеспечивает функция Harm (функция быстрого преобразования Фурье) осуществляемая в режиме временно́го анализа TransientAnalyses .
Для этого при задании значений параметров анализа в поле X Expression ставится F (частота), в поле Y Expression – Harm ( v ( out 1)), где out 1 – название узла, а в полях X и Y Range – значения границ изучаемых частотного и амплитудного диапазонов соответственно. Для задания количества отсчетов функции Harm и шага по частотной оси необходимо вызвать диалоговое окно
Properties for Transient Analyses (F10), зайти во вкладку Fourier и выставить требуемые значения в полях Number of Points и Frequency Step соответственно. Для придания графикам гармоник привычного вида вертикальных отсчетов с различной амплитудой необходимо в том же диалоговом окне во вкладке Colors, Fonts, и Lines и этих графиков в поле Style выбрать вариант Popsicle .
Частотно-избирательное действие фильтров демонстрирует их анализ в MC12 во временной области. На входы фильтров подаётся сигнал, состоящий из суммы двух синусоидальных сигналов с амплитудой 1 В и частотой 1 и 10 Гц (рис. 1.9, б ) от источников V1 и V2 соответственно. Спектральные составляющие входного сигнала (рис. 1.9, в ), претерпевая изменения, отвечающие виду ЛАФЧХ фильтров (рис. 1.9, г и д ), меняют свою амплитуду, что отражается в спектре выходных сигналов (рис. 1.9, е ) и, естественно, в их виде