Транзисторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Транзисторы

1. Классификация, схемы включения, характеристики транзисторов

Транзистором называется полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность.

Классификация транзисторов производится по следующим признакам:

1. По материалу полупроводника - обычно германиевые или кремниевые;

По типу проводимости областей (только биполярные транзисторы): с прямой проводимостью (p-n-p - структура) или с обратной проводимостью (n-p-n - структура);

3. По принципу действия транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполярные);

4. По частотным свойствам;

НЧ (<3 МГц);

СрЧ (3/30 МГц);

ВЧ и СВЧ (>30 МГц);

5. По мощности. Маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт), средней мощности СрМ (0,3/3

Вт), мощные (>3 Вт).

Устройство биполярных транзисторов. Основой биполярного транзистора является кристалл полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который также как и вывод от него называется базой.

Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противоположным типом проводимости, нежели база.

Область, имеющая бoльшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют коллектором.

Область, имеющая меньшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют эмиттером.

p-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между эмиттером и базой - эмиттерным переходом.

Направление стрелки в транзисторе показывает направление протекающего тока. Основной особенностью устройства биполярных транзисторов является неравномерность концентрации основных носителей зарядов в эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носителей заряда максимальная. В коллекторе - несколько меньше, чем в эмиттере. В базе - во много раз меньше, чем в эмиттере и коллекторе.

Схемы включения биполярных транзисторов

Схемы включения транзисторов получили своё название в зависимости от того, какой из выводов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепи.

1) Схема включения с общей базой ОБ:

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

- коэффициент усиления по току Iвых/Iвх (для схемы с общей базой

Iвых/Iвх=Iк/Iэ=б[б<1])

- входное сопротивление

Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Недостатки схемы с общей базой:

- Схема не усиливает ток б <1

- Малое входное сопротивление

- Два разных источника напряжения для питания.

Достоинства - хорошие температурные и частотные свойства.

2) Схема включения с общим эмиттером ОЭ:

Эта схема является наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности.

Достоинства схемы с общим эмиттером:

- Большой коэффициент усиления по току

- Бoльшее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление

- Для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Однако за счёт преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто.

3) Схема включения с общим коллектором ОК:

В схеме с ОК коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. с. очень сильна отрицательная обратная связь.

Характеристики:

1. Приращение тока коллектора пропорционально приращению тока базы.

Ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллекторе.

3. Напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит от тока базы.

Физические принципы работы биполярного транзистора.

При работе транзистора в усилительном режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный - закрыт. Это достигается соответствующим включением источников питания.

Так как эмиттерный переход открыт, то через него будет протекать ток эмиттера, вызванный переходом электронов из эмиттера в базу и переходом дырок из базы в эмиттер. Следовательно, ток эмиттера будет иметь две составляющие - электронную и дырочную. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции:

(0,999)

Iэ = Iэ.n. + Iэ.р.

Инжекцией зарядов называется переход носителей зарядов из области, где они были основными в область, где они становятся неосновными. В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе пополняется от «+» источника Еэ, за счёт чего в цепи базы будет протекать очень малый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под ускоряющим действием поля закрытого коллекторного перехода как неосновные носители будут переходить в коллектор, образуя ток коллектора. Переход носителей зарядов из области, где они были не основными, в область, где они становятся основными, называется экстракцией зарядов.

Основное соотношение токов в транзисторе:

Iэ = I_к + I_б

Iк = вI_б, в - коэффициент усиления по току

3. Модель транзистора как усилителя тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ток прямо пропорционален току и можно записать следующее Соотношение: , где -коэффициент усиления по току(от 30 До 100)

При возможны 3 режима транзистора: 1. режим отсечки (разрыв между Э и К) активный режим

Iк

4. Ключевой режим транзисторов. Энергетическая эффективность ключевого режима

транзистор включение биполярный режим

В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают 3 вида его работы:

-Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты (и эмиттерный и коллекторный). Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току. Уравнение динамического режима будет иметь вид:

Uкэ = Eк - Iкбо • Rк

Произведение Iкбо • Rк будет равно нулю. Значит, Uкэ > Eк.

-Режим насыщения - это режим, когда оба перехода - и эмиттерный, и коллекторный открыты, в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов, ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения. Iб = max; Iк ? Iк.н.; Uкэ = Eк - Iк.н • Rн Произведение Iк.н • Rн будет стремиться к Eк. Значит, Uкэ > 0.

-Линейный режим - это режим, при котором эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт.

Iб.max > Iб > 0; Iк.н > Iк > Iкбо Eк > Uкэ > Uкэ.нас

Ключевым режимом работы транзистора называется такой режим, при котором рабочая точка транзистора скачкообразно переходит из режима отсечки в режим насыщения и наоборот, минуя линейный режим.

Резистор Rб ограничивает ток базы транзистора, чтобы он не превышал максимально допустимого значения. В промежуток времени от 0 до t1 входное напряжение и ток базы близки к нулю, и транзистор находится в режиме отсечки. Напряжение Uкэ, является выходным и будет близко к Eк. В промежуток времени от t1 до t2 входное напряжение и ток базы транзистора становятся максимальными, и транзистор перейдёт в режим насыщения. После момента времени t2 транзистор переходит в режим отсечки. Вывод: транзисторный ключ является инвертором, т. е. изменяет фазу сигнала на 180є.

5. Эмиттерный повторитель. Согласование сопротивлений источника сигнала и нагрузки

Эмиттерный повторитель - частный случай повторителей напряжения. То есть выходное напряжение "повторяет" входное. Существует множество различных повторителей, но в электронике применяют в основном два: транзисторные (эмиттерный и истоковый) повторители и на операционном усилителе (с коэффициентом усиления около 1).

6. Задача стабилизации напряжения. Параметрический стабилизатор напряжения

Задача:

Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных РТУ, может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно сказываются на работе аппаратуры. Например, ЛБВ вообще не могут работать без стабилизации напряжения. Для обеспечения заданной точности измерительных приборов (электронных вольтметров, осциллографов и др.) также необходима стабилизация напряжения.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

Параметрический метод основан на использовании нелинейных элементов, за счёт которых происходит перераспределение токов и напряжений между отдельными элементами схемы, что ведёт к стабилизации.

Структурная схема параметрического стабилизатора состоит из двух элементов - линейного и нелинейного.

При изменении напряжения на входе стабилизатора в широких пределах () напряжение на выходе изменяется в значительно меньших пределах ()

Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе кремниевых стабилитронов. В кремниевом стабилитроне при определённом Uст развивается лавинный пробой p-n перехода (см. рисунок (а)). Обычно рабочую ветвь изображают при ином расположении осей (см. рисунок (б)). Рабочий участок ограничен предельно допустимым по тепловому режиму Imax.

а) б)

В параметрическом стабилизаторе переменного напряжения линейным элементом служит конденсатор, а нелинейным - дроссель насыщения.

7. Физические принципы работы полевого транзистора

Полевыми транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых ток через канал управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Истоком называют электрод полевого транзистора, через который в канал втекают носители заряда, собираемые при выходе из канала другим электродом - стоком. Электрод полевого транзистора, к которому прилагается управляющее напряжение, называют затвором. Канал - область полупроводникового кристалла, в которой поток носителей регулируется изменением ее поперечного сечения с помощью управляющего напряжения затвора. Полевые транзисторы называют также униполярными, так как принцип их работы основан на управлении движением носителей только одного знака (основных носителей). Различают два типа полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП- или МОП- транзисторы). Все полевые транзисторы различаются также по виду проводимости канала: p или n типа.

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.

Условное обозначение и устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом показано на рис. 1.

На подложке из p-кремния создается тонкий слой полупроводника n -типа, выполняющий функцию токопроводящей области (канала). Канал изолирован p-n переходами от подложки и затвора. Затвор используется для управления величиной поперечного сечения канала. Между затвором и каналом возникает зона объединения, зона объединения увеличивается после добавления истока.

Принципиальная «электрическая схема»

Uзи и Rн

R З

U с Uси

Изменяя напряжение затвор-исток мы меняем напряжение в цепи сток-исток.

Особенность полевого транзистора -отсутствие тока в затворе(преимущество)

-повышенная чувствительность к радиоизлучениям

-повышенная чувствительность к статическим зарядам

-т.к. управление током канала не связано с перемещением заряда то эти приборы более быстродействующие

Недостаток -высокое сопротивление.

8. Параметры и классификация полевых транзисторов

Основные параметры:

1) Напряжение отсечки.

2) Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1В.

3) Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора.

4) Входное сопротивление.

Так как на затвор подается только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять собой обратный ток закрытого р-н перехода и будет очень мал. Величина входного сопротивления Rвх будет очень велика и может достигать 10⁹Ом.

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл -- полупроводник (барьер Шоттки), вторую -- транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл -- диэлектрик -- полупроводник).

-Полевой транзистор с управляющим p-n переходом -- это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделен в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещенным в обратном направлении.

Размещено на Allbest.ru