Электроника 5 Транз. б.п. 1 16.06.2014 25

Биполярные транзисторы. Слайд 1 из 25
Тема
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
План темы
1. Обозначение и устройство
2. Основные физические процессы
3. Эквивалентная схема для постоянного тока
4. Усиление с помощью биполярного транзистора
5. Контрольные вопросы
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 2 из 25
Биполярные транзисторы
К
К
Б
Б
Э
Э
n
p
К
Б
Э
Б
Э
n
Б
Автор Останин Б.П.
К
К
Э
p
Э
n
p
К
Б
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 3 из 25
Основные физические процессы
Биполярным транзистор называют потому, что в процессе
протекания тока участвуют носители электричества двух знаков –
электроны и дырки.
Более распространены транзисторы структуры n-p-n. Их
свойства лучше, чем у p-n-p транзисторов. Это объясняется
следующим образом: основную роль в электрических процессах
в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а в транзисторах
типа p-n-p – дырки. Электроны же имеют большую в два - три
раза подвижность, чем дырки.
Площадь коллекторного перехода значительно больше
площади эмиттерного перехода, что значительно улучшает
свойства транзистора.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 4 из 25
Основные физические процессы
Транзистор n-p-n. Концентрация примеси в эмиттере
сравнительно велика. Концентрация примеси в базе сравнительно
мала. Концентрация примеси в коллекторе может быть как больше
концентрации примеси в базе, так и меньше её. Сместим
эмиттерный переход в прямом направлении, а коллекторный – в
обратном. Сопротивление эмиттерного перехода мало и для
получения нормального тока через эмиттерный переход
достаточно прямого напряжения в десятые доли вольта.
Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение на
нём обычно составляет единицы или десятки вольт.
u КЭ  u КБ  u БЭ
При работе транзистора в активном режиме обычно uКБ >> uБЭ
и, следовательно, uКЭ  uКБ.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 5 из 25
Основные физические процессы
ВАХ эмиттерного перехода представляет собой прямую ветвь
p-n – перехода, а ВАХ коллекторного – обратную.
Электроны, инжектируемые в базу из эмиттера, являются в ней
неосновными носителями заряда и легко проходят через обратно
включённый коллекторный переход. Из-за малой толщины базы
почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время
пролёта достигают коллектора. Только малая доля электронов
рекомбинирует с дырками базы. Убыль дырок компенсируется
протеканием тока базы iБ, причём iБ << iЭ.
База должна быть тонкой и с малым количеством примесей.
Если бы база имела большую толщину и большое количество
примесей, то большая часть электронов эмиттерного тока
(транзистор n-p-n структуры), диффундируя через базу,
рекомбинировала бы с дырками базы и не дошла бы до
коллекторного перехода.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 6 из 25
Основные физические процессы
Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, то
практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом
случае область коллекторного перехода имеет большое
сопротивление постоянному току, так как основные носители
заряда удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы
создаются области, обеднённые носителями. Через коллекторный
переход протекает лишь очень небольшой обратный ток,
вызванный неосновными носителями заряда.
Если под действием входного напряжения (uБЭ) возникает
значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны
эмиттера инжектируются (поступают) электроны, которые для
базы являются неосновными носителями.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 7 из 25
Основные физические процессы
Обратное смещение коллекторного перехода способствует
тому, что электроны, подошедшие к нему, захватываются
электрическим полем перехода и переносятся в коллектор. В то
же время это поле препятствует переходу электронов из
коллектора в базу. Поскольку iБ << iЭ, то iК  iЭ. Более точно:
i К   СТ  iЭ  i К 0
СТ
- статический коэффициент передачи эмиттерного тока
(связывает постоянные токи);
iК0 - обратный ток коллектора, т.е. обычный обратный ток p-n –
перехода. Он протекает и тогда, когда ток эмиттера равен
нулю.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 8 из 25
Основные физические процессы
Различают диффузионные (бездрейфовые) и дрейфовые
транзисторы. В диффузионных транзисторах концентрация
атомов примесей в базе примерно одинакова во всех её
частях, поэтому ионы примесей не создают в базе
дополнительное электрическое поле, которое влияло бы на
движение носителей электричества через базу. При этом
движение этих носителей происходит главным образом в
форме диффузии. В дрейфовых транзисторах концентрация
примесей различна в различных точках базы. Это приводит к
появлению дополнительного электрического поля, и носители
заряда дрейфуют под действием этого поля. Дрейф ускоряет
прохождение носителей через базу, поэтому дрейфовые
транзисторы часто отличаются большим быстродействием.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 9 из 25
Основные физические процессы
Работу транзистора можно наглядно
помощью потенциальной диаграммы.
представить
с
Потенциальная диаграмма транзистора n-p-n-структуры
-
х
n
p
n
+
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 10 из 25
Основные физические процессы
Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока
rЭ0
rК0
rБ0
UБЭ
UБК
rЭ0 (доли Ома …десятки Ом) и rК0 (единицы и десятки килом) –
соответственно,
сопротивления
переходов
плюс
сопротивления областей.
rЭ 0
iЭ в миллиамперах
25

iЭ
rБ0 (достигает сотен Ом) – поперечное сопротивление базы.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 11 из 25
Основные физические процессы
Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном
переходах сопровождается изменением толщины этих
переходов. В результате изменяется толщина базы
(модуляция базы). При повышении напряжения коллекторбаза, толщина коллекторного перехода возрастает, а
толщина базы уменьшается. Может произойти соединение
коллекторного перехода с эмиттерным (эффект смыкания,
«прокол» базы) и транзистор перестаёт нормально
работать.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 12 из 25
Основные физические процессы
При увеличении поступления (инжекции) носителей из
эмиттера в базу происходит накопление неосновных
носителей в базе, т.е. увеличение концентрации и суммарного
заряда в базе. Наоборот, при уменьшении инжекции
происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда
в базе. Этот процесс называют рассасыванием неосновных
носителей в базе.
iЭ  i К  i Б
iЭ  i К  i Б
i К УПР   iЭ
iК УПР – управляемый ток коллектора
i К   iЭ  i К 0
 - коэффициент передачи тока эмиттера (основной параметр
транзистора);
iК0 – неуправляемый ток коллектора (не проходит через
эмиттерный переход).
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 13 из 25
Основные физические процессы
Во многих случаях можно считать, что iК   iЭ. Измеряют ток iК0
при отключённом проводе эмиттера (iЭ = 0). Тогда iК = iК0.
IК
n
p
IК УПР
IК0
Автор Останин Б.П.
n
IБ
IЭ
УПР
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 14 из 25
Основные физические процессы
Выразим зависимость тока коллектора от тока базы.
i К   iЭ  i К 0
iЭ  i К  i Б
IК
p
n
n
IК УПР
IЭ
i К   (i К  i Б )  i К 0
iК 

i К Э 0
i

i Б  К 0    i Б  i К Э 0
1
1

1
IБ
УПР
- коэффициент передачи тока базы
iК 0

1
Автор Останин Б.П.
IК0
Начальный сквозной ток (сквозной – так как он
протекает
через
все
три
области).
Действительно при iБ = 0 имеем iК = iК-Э0.
Сквозной
ток
значительно
превосходит
начальный ток коллектора iК0.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 15 из 25
Основные физические процессы
Примеры
  0,95

0,95


 19
1   1  0,95
  0,99


Автор Останин Б.П.

0,99

 99
1   1  0,99

1 
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 16 из 25
Основные физические процессы
i К Э 0

iК 0

1

1 
i К  Э 0  (1   )  i К 0
Сравнительно большой ток iК-Э0 объясняется тем, что
некоторая часть напряжения uКЭ приложена к эмиттеру в
качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает
ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным
током.
При значительном повышении напряжения uКЭ, ток iК-Э0
резко возрастает и происходит электрический пробой.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 17 из 25
Основные физические процессы
Если uКЭ не слишком мало, при обрыве цепи базы может
наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее
к перегреву и выходу транзистора из строя, если нет резистора,
ограничивающего возрастание тока.
Процесс лавинообразного увеличения тока iК = iЭ при обрыве
цепи базы:
- часть напряжения uКЭ, действующая на эмиттерном переходе,
увеличивает ток iЭ, и равный ему ток iК. На коллекторный переход
поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на
нём уменьшаются. За счёт этого возрастает напряжение на
эмиттерном переходе, что приводит к ещё большему увеличению
тока и т.д. (положительная обратная связь).
1. Нельзя разрывать цепь базы, если не выключено питание
цепи коллектора.
2. Надо сначала включить питание цепи базы, а потом цепи
коллектора.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 18 из 25
Основные физические процессы
Важное свойство транзистора – приблизительно линейная
зависимость между его токами, т.е. все три тока изменяются
почти пропорционально.
Пример. Было iБ = 0,5 мА, iК = 9,5 мА, iЭ = 10 мА. Ток базы возрос
на 20% и стал iБ = 0,5 + 0,1 = 0,6 мА. Тогда возрастут на 20% и
токи iК и iЭ (iК = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, а iЭ = 10 +2 = 12 мА). Согласно
1-му закону Кирхгофа, должно соблюдаться равенство
iЭ  i К  i Б  11,4  0,6  12 мА
Для приращений токов:
iЭ  i К  i Б  1,9  0,1  2 мА
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 19 из 25
Усиление с помощью транзистора
EП
iК
RК
СП
СР
iБ
VT
uКЭ
uВХ
uВЫХ
iЭ
ECМ
ССМ
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 20 из 25
Усиление с помощью транзистора
EП
iК
RК
СП
СР
ЕП
iБ
RК
VT
uВХ
iЭ
uКЭ
uВЫХ
rКЭ
ECМ
ССМ
Пример. Пусть ЕСМ = 0,2 В и ЕП = 12 В. Пусть RК = 4 кОм и сопротивление
транзистора в режиме покоя также равно 4 кОм. Следовательно, полное
сопротивление коллекторной цепи при отсутствии входного сигнала равно 8
кОм. Считаем ток коллектора приблизительно равным току эмиттера. Тогда
iК 
Автор Останин Б.П.
EП
12

 1,5 мА
RК  rКЭ 8
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 21 из 25
Усиление с помощью транзистора
ЕП
RК
rКЭ
Дано:
ЕСМ = 0,2 В
ЕП = 12 В.
RК = 4 кОм
Было rКЭ = 4 кОм
Стало rКЭ = 0,8 кОм
Если от источника сигнала на вход поступает переменное
синусоидальное напряжение uВХ = Umsinωt = 0,1sinωt В, то максимальное
напряжение на участке база-эмиттер при положительной полуволне
становится равным 0,3 В. Пусть под влиянием этого напряжения ток
эмиттера, а следовательно и коллектора, возрастает до 2,5 мА.
Напряжение на нагрузке становится равным 2,5мА  4кОм = 10 В, а
напряжение на транзисторе становится 12 – 10 = 2 В. Следовательно,
сопротивление транзистора уменьшилось до 2В : 2,5мА = 0,8 кОм.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 22 из 25
Усиление с помощью транзистора
ЕП
RК
Было rКЭ = 4 кОм
Стало rКЭ = 20 кОм
rКЭ
Через полпериода, когда источник колебаний даст напряжение, равное -0,1
В, произойдет обратное явление. Напряжение база-эмиттер станет равно 0,2 –
0,1 = 0,1 В. Токи коллектора и эмиттера уменьшатся до 0,5 мА. На резисторе
нагрузки падение напряжения уменьшится до 0,5мА  4кОм = 2 В, а напряжение
между коллектором и эмиттером возрастёт до 10 В.
Следовательно, сопротивление между коллектором и эмиттером транзистора
возрастёт до 10В : 0,5мА = 20 кОм. Таким образом подача на вход транзистора
переменного напряжения с амплитудой 0,1 В, вызывает изменение
сопротивления rКЭ от 0,8 до 20 кОм, и при этом напряжения на резисторе
нагрузки и на транзисторе изменяются на 4 В в ту и другую стороны (от 10 В до
2 В). Следовательно выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В,
т.е. оно в 40 раз больше входного напряжения. Это иллюстрировано
нижеприведёнными графиками.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 23 из 25
uВХ
Усиление с помощью
транзистора
0
0
VT
uВХ
iЭ
UБЭ0
СР
IБ0
1,5
2,5
IК0
0
uКЭ
0,1
t
t
iК
uВЫХ
0,5
t
uКЭ
10
6,0
ECМ
2,0
0
ССМ
0,3
0
СП
iБ
0,2
iБ
EП
RК
t
uБЭ
uВХ = Umsinωt = 0,1sinωt
iК
0,1
- 0,1
UКЭ0
t
uВЫХ
4,0
0
Автор Останин Б.П.
- 4,0
t
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 24 из 25
Усиление с помощью транзистора
EП
RБ
EП
СП
RК
RБ1
СР
СР
uВХ
Автор Останин Б.П.
СР
СР
2
VT
СП
RК
uВЫХ
uВХ
2
VT
RБ2
uВЫХ
Конец слайда
Биполярные транзисторы. Слайд 25 из 25
Контрольные вопросы
1. Поясните почему транзистор называют биполярным.
2. Начертите обозначение биполярного транзисторов типа n-p-n и p-n-p
на схемах
3. Поясните работу биполярного транзистора.
4. Поясните, почему база транзистора должна быть тонкой и содержать
мало примесей.
5.Запишите как связаны между собой коэффициент передачи тока
эмиттера и коэффициент передачи тока базы.
6. Поясните, что называют модуляцией базы.
7. Поясните почему нельзя разрывать цепь базы, если не выключено
питание цепи коллектора.
8. Поясните, зачем нужно напряжение смещения и как оно
задаётся в усилительных каскадах.
9. Поясните, как происходит усиление напряжения в.каскадах.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда