Биполярный транзистор и схемы его включения

Все полупроводниковые транзисторы делятся на две группы: биполярные и униполярные (полевые) транзисторы.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p–n-переходами. Биполярные транзисторы различаются по структуре. В зависимости от чередования областей различают биполярные транзисторы типа "p-n-p" и "n-p-n" (рис.18).

Рис. 18. Биполярные транзисторы типа «p-n-p» (а) и «n-p-n» (б)

Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных носителей электрических зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу.

где , , – токи соответственно в цепи эмиттера, коллектора, базы.

Важнейшими параметрами, характеризующими качество транзистора, являются дифференциальный коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор – и дифференциальный коэффициент передачи тока из базы в коллектор :

при

>>1.

Современные транзисторы имеют = (0,9÷0,99) < 1 и = (4÷10000).

Во всех вариантах схем включения транзистора его можно рассматривать как нелинейный активный четырехполюсник (рис. 19).

Рис. 19.Четырехполюсник

Основными параметрами, характеризующими транзистор являются:

· коэффициент усиления по току ,

· коэффициент усиления по напряжению ,

· коэффициент усиления по мощности ,

· входное сопротивление ,

· выходное сопротивление .

Обычно транзисторы включаются в электрическую схему таким образом, чтобы один из его электродов был входным, второй выходным, а третий общий для входа и выхода. В зависимости от этого различают три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Рассмотрим особенности каждой схемы.

В схеме с ОБ (рис. 20) входной сигнал поступает на эмиттер, а выходной снимается с коллектора.

Рис. 20. Включение транзистора с ОБ

Входным сопротивлением схемы является сопротивление открытого эмиттерного перехода, которое составляет десятки Ом. Выходное сопротивление определяется обратным включенным коллекторным переходом. Поэтому >> .

Коэффициент усиления транзистора с ОБ по току соответствует примерно коэффициенту передачи :

(0,95÷0,99).

Коэффициент усиления транзистора по напряжению:

,

где – входное сопротивление открытого эмиттерного перехода. Так как >> , то >1.

Таким образом, схема включения транзистора с ОБ не обеспечивает усиление по току, однако усиливает входной сигнал по напряжению и мощности.

В схеме с ОЭ (рис. 21) входной сигнал поступает на входы база – эмиттер, а выходной снимается с коллектора.

Входное сопротивление схемы значительно больше, чем в схеме с ОБ.

>1.

Коэффициент усиления схемы по току :

>>1.

Коэффициент усиления схемы по напряжению :

>1.

Коэффициент усиления схемы по мощности равен произведению коэффициентов и :

>>1.

Схема с ОЭ обеспечивает усиление входного сигнала по току, напряжению и мощности, используется в усилителях, генераторах, формирователях и является самой распространенной.

В схеме ОК (рис. 22) входной сигнал подается на входы база – коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера.

Входное сопротивление схемы велико и равно .

Коэффициент усиления схемы с ОК по току:

>>1.

Коэффициент усиления схемы с ОК по напряжению:

<1.

Схему с общим эмиттером часто называют эмиттерным повторителем, так как нагрузка включена в цепь эмиттера. Схема обеспечивает усиление по току, мощности, имеет коэффициент усиления по напряжению меньше единицы ( ≈ 0,9…0,99), отличается большим входным сопротивлением и малым выходным >> и широко используется в качестве согласующего каскада.

Статические характеристики транзисторов представляют собой графические зависимости между токами, протекающими в цепях транзистора, и напряжениями на его входах и выходах. Эти характеристики приводятся в справочной литературе и используются при анализе и расчете электронных схем. Различают входные и выходные статические характеристики транзисторов.

Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном напряжении на коллекторе. Выходные характеристики показывают зависимость выходного тока от напряжения на коллекторе при постоянном входном токе или напряжении. На рис. 23 приведены статические характеристики для схемы с ОЭ.

Рис. 23. Статические входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора с ОЭ

На выходной характеристике можно выделить три зоны, свойственные трем режимам работы транзисторов область I – режим отсечки; область II – режим усиления и область III – режим насыщения.

Динамические характеристики транзистора определяют режим работы транзистора, в выходной цепи которого имеется нагрузка, а на вход подается усиливаемый сигнал (рис. 24).

Рис. 24. Схема усилителя с ОЭ (а)
и выходная характеристика (б)

В этой схеме увеличение тока базы вызывает возрастание тока в цепи коллектора и уменьшение напряжения на коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны между собой уравнением .

Такой режим работы транзистора называется динамическим. Динамические характеристики строятся на семействе статических при заданных напряжениях источника питания и сопротивления нагрузки . Для построения динамической характеристики используется уравнение, которое представляет собой уравнение прямой (АБВ).

Изменение температуры окружающей среды изменяет параметры транзистора и его статические и динамические характеристики. Это может привести к нарушению выбранного режима работы. Поэтому применяются различные методы температурной стабилизации.

Эквивалентные схемы транзисторов применяются для анализа цепей, содержащих транзисторы. Как известно, транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих p–n-переходов. Обычно транзистор заменяется четырехполюсником (рис. 25).

Рис. 25. Схема четырехполюсника (а),

эквивалентная схема транзистора для включения с ОЭ (б)

Параметры эквивалентной схемы могут быть определены либо расчетным, либо экспериментальным путем. В настоящее время чаще всего применяются малосигнальные эквивалентные схемы в h-параметрах. Такая эквивалентная схема отражает зависимость выходного тока и входного напряжения от входного тока и выходного напряжения транзистора.

Эта зависимость определяется системой уравнений:

,

где и – изменение входного и выходного напряжений, и – изменения соответствующих токов.

Коэффициенты h зависят от схемы включения транзисторов (ОБ, ОЭ, ОК). Для транзисторов, включенных с ОЭ, параметры эквивалентной схемы имеют следующий физический смысл:

· – входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе ( );

· – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом по переменному току входе ( );

· – коэффициент передачи тока при короткозамкнутом выходе ( );

· – выходная проводимость при разомкнутом по переменному току входе ( ).

6. Полевые транзисторы

Полевым (униполярным) транзистором называется транзистор, в котором между двумя электродами образуется проводящий канал, по которому протекает ток. Управление этим током осуществляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Электрод, с которого начинается движение носителей заряда, называется истоком, а электрод, к которому они движутся, – стоком. Электрод, создающий управляющее электрическое поле называется затвором.

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим p–n-пере­хо­дом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы). По типу электропроводности полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналами "p" и "n" типов.

Транзистор с управляющим p­–n-переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов которого сделаны два вывода – исток и сток. Вдоль пластины выполнен p–­n-переход, от которого сделан третий вывод – затвор (рис. 26) [5].

Рис. 26. Полевой транзистор с управляющим p–n-переходом (а)

и его условное обозначение (б)

Если к электродам подключить напряжение питания, то между стоком и истоком будет протекать ток. Сопротивление канала, а следовательно, и ток, проходящий через канал, зависят от напряжения на затворе. Напряжение на затворе, при котором ток истока минимален, называется напряжением отсечки . Если на затвор подать переменный сигнал, то ток стока также будет изменяться по тому же закону. Статические характеристики транзистора с управляющим р–n-пере­хо­дом приведены на рис. 27.

Рис. 27. Входная (а) и выходная (б) характеристики полевого транзистора

с управляющим p–n-переходом

Максимальный ток стока будет при нулевом напряжении на затворе. При уменьшении напряжения на затворе ток стока уменьшается и при он становится равным 0.

Полевые транзисторы характеризуются следующими параметрами:

· крутизной характеристики при ;

· коэффициентом усиления по напряжению при ;

· выходным сопротивлением при ;

· входным сопротивлением ;

· напряжением отсечки ;

· максимальным током стока .

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы), в отличие от рассмотренных выше, имеют затвор, изолированный от канала слоем диэлектрика. Поэтому они имеют очень большое входное сопротивление до (10¹²…10¹⁴) Ом.

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля.

МДП-транзисторы делятся на транзисторы с встроенным каналом и на транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы имеют четвертый электрод, называемый подложкой, который выполняет вспомогательную роль. МДП-транзисторы могут быть с каналами n- или р-типа. На рис. 28 приведены конструкция и характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом
n-типа [5].

Рис. 28. Конструкция (а), условные обозначения (б), входная (в) и выходная (г)

характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

В МДП-транзисторах со встроенным каналом токопроводящий канал создается технологическим путем в виде тонкого слаболегированного полупроводникового слоя. Поэтому при = 0 канал существует.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом отличаются тем, что проводящий канал здесь не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины при приложении к затвору напряжения положительной (отрицательной) полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое возникает токопроводящий канал, соединяющий области стока и истока. При изменении напряжения на затворе изменяется сопротивление канала. На рис. 29 приведены конструкция и статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом [5].

Рис. 29. Конструкция (а), условные обозначения (б), входная (в) и выходная (г)
характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

Особенностью данного транзистора является то, что управляющий сигнал имеет ту же полярность, что и напряжение .

Полевые транзисторы так же, как и биполярные, могут быть включены в цепь по схеме с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС).

Отличительным свойством полевых транзисторов является то, что управляющим сигналом является не ток, а напряжение. Полевые транзисторы успешно применяются в различных усилительных и переключающих устройствах, они часто используются в сочетании с биполярными транзисторами. На базе полевых транзисторов построены многие интегральные микросхемы.

7. Устройство и принцип работы
дифференциального усилителя