Биполярные транзисторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

По дисциплине «Электроника» был изучен электронный полупроводниковый прибор, предназначенный дал усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов - биполярный транзистор.

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.

Транзистор имеет три области полупроводника называемые его электродами причем две крайние области имеют одинаковый тип проводимости, а средняя область - противоположный. Электроды транзистора имеют внешние выводы, с помощью которых транзистор включаете» в электрическую схему. Одна из крайних областей транзистора, имеющая наименьшие размеры, называется эмиттером (Э). Она предназначена для создания сильного потока основных носителей заряда (в данном случае электронов), пронизывающего всю структуру прибора. Поэтому эмиттер характеризуется очень высокой степенью легирования (NDЭ = 1019-1020 см-3). Другая крайняя область транзистора, называемая коллектором (К), предназначена для собирания потока носителей, эмитируемых эмиттером. Поэтому коллектор имеет наибольшие размеры среди областей транзистора. Средняя область транзистора называется базой (Б). Она предназначена для управления потоком носителей, движущихся из эмиттера в коллектор. Для уменьшения потерь электронов на рекомбинацию с дырками в базе ее ширина наделается очень маленькой (WБ<<Ln) степень легирования - очень низкой - на 3...4 порядка ниже, чем у эмиттера (NАБ << NDЭ). Между электродами транзистора образуются p-n переходы.

Переход, разделяющий эмиттер и базу, называется эмиттерным переходом (ЭП) а переход, разделяющий базу и коллектор, - коллекторным переходом (КП). С учетом резкой асимметрии эмиттерного перехода (NDЭ << NАБ) он характеризуется односторонней инжекцией: поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, значительно превосходит встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер.

Курсовая работа направлена на изучение и рассмотрение заданного типа биполярного транзистора КТ375А. По этому типу транзистора определены его параметры и статические характеристики, в соответствии с условиями задания выполнен анализ работы транзистора с нагрузкой в выходной цепи, рассчитаны параметры эквивалентной схемы и малосигнальные параметры



Глава 1. Теория о биполярных транзисторах

1.1 Общие сведения о Биполярном транзисторе

Транзистор - преобразовательный полупроводниковый прибор, который имеет не менее трех выводов и предназначен для усиления мощности электрического сигнала.

Наиболее распространенными являются полевые и биполярные транзисторы. Данная курсовая работа направлена на изучение биполярного транзистора, который состоит из трех областей с чередующимися типами электропроводности (т.е. имеет в своей структуре два взаимодействующих р-n -перехода и три внешних вывода) и пригодный для усиления электрических сигналов. Сам термин "биполярный" говорит о том, что принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд, - дырок и электронов.

Схематическое изображение структуры биполярных транзисторов имеют следующие виды:

Рисунок 1 - Схематическое изображение структуры биполярных транзисторов (К - коллектор, Э - эмиттер, Б-база)

Последовательное соединение полупроводника с электронной и дырочной проводимостью, которое необходимо для формирования двух р-п переходов в одном приборе, приводит к образованию либо n-p-n, либо р-n-р структуры. В соответствии с ними биполярные транзисторы бывают либо n- р-n, либо p-n-р типа. Центральная область (а также вывод от нее) называется базой (Б), крайние, имеющие иной тип проводимости по сравнению с базой, коллектором (К) и эмиттером (3). К каждой из областей припаяны выводы, при помощи которых прибор включается в схему. Эмиттером называется область транзистора, назначением которой является инжекция (физическое явление, при котором при пропускании электрического тока в прямом направлении через р-n- переход в прилежащих к переходу областях создаются высокие концентрации неравновесных носителей заряда) носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция (извлечение носителей заряда из одной его области в контактирующий с ним другую область под действием тока, протекающего через их контакт) носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Биполярные транзисторы можно классифицировать по следующим признакам:

* по материалу: германиевые и кремниевые биполярные транзисторы;

* по виду проводимости областей: типа p-n-р и n -р- n;

* по мощности: малой (Рmax Ј 0,3Вт), средней (Рmax Ј 1,5Вт) и большой мощности (Рmax >1,5Вт);

* по частоте: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и СВЧ.

Для того чтобы транзистор мог эффективно выполнять свои функции, необходимо чтобы:

- расстояние между переходами было меньше длины свободного пробега неосновных носителей полупроводникового материала базы;

- концентрация примесей в области базы должна быть существенно ниже (на несколько порядков), чем концентрация примесей в области эмиттера.

1.2 Конструкция некоторых биполярных транзисторов

Для изготовления дискретного биполярного транзистора необходим полупроводник электронного или дырочного типов проводимости, именуемый, как и вывод от него, базой, который, например, методом сплавления или диффузии легируют акцепторными примесями так, чтобы по обе стороны от базы были выполнены зоны с противоположными типами проводимостей. Это отражено на упрощённой конструкции сплавного биполярного транзистора, приведённой на рисунке 2.

На рисунке цифрами обозначены: 1 - коллектор; 2 - база транзистора, например, образованная кристаллом германия или кремния; 3 - основание компонента; 4, 5 I вплавленные в кристалл примеси, например, индия или алюминия; 6 - кристаллодержатель; 7 - эмиттер. Кристалл полупроводника, образующий базу транзистора, в данном случае механически прикреплён и электрически соединён с металлической пластинкой, приваренной к стенке компонента. Толщина базы обычно не превышает нескольких микрон. На рисунке видно, что эмиттерная область имеет меньшую площадь, чем коллекторная.

Рисунок 2 - Конструкция плоскостного транзистора

Между базой и коллектором лежит коллекторный переход, а между базой и эмиттером -- эмиттерный переход. В области базы транзистора концентрация носителей заряда чрезвычайно низка, а, следовательно, её проводимость очень мала. В области коллектора концентрация и проводимость намного больше, чем в области базы, а в области эмиттера несколько выше, чем в области коллектора. Таким образом, концентрации носителей зарядов в областях транзисторов существенно отличаются.

Усиление или генерация колебаний транзисторами связана с инжекцией носителей зарядов обоих типов. Те компоненты, в которых перемещение носителей зарядов возникает по большей части за счёт диффузии, называют диффузионными транзисторами, а если за счёт дрейфа - то дрейфовыми транзисторами.

В диффузионных транзисторах неосновные носители заряда проходят область базы за счёт теплового движения. Чтобы диффузионный транзистор мог обладать высокой граничной частотой усиления, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, однако в результате этого её сопротивление будет велико. Если попробовать увеличить её проводимость благодаря легированию, то возрастет ёмкость коллекторного перехода, что ухудшит частотные свойства транзистора.

На дрейфовых транзисторах создают такое неравномерное распределение примесей в области базы, чтобы концентрация примеси в зоне прилегания базы к коллектору была ориентировочно от 2-х до 4-х порядков выше, чем в зоне прилегания базы к коллектору. Благодаря этому неосновные носители заряда будут быстрее преодолевать базу под действием укоряющего поля коллекторного перехода, что позволяет дрейфовым транзисторам иметь более высокую граничную частоту усиления сигнала, чем диффузионным транзисторам. А сопротивление области базы мало даже при небольшой её

толщине благодаря легированию места прилегания базы к эмиттеру. Некоторые дрейфовые транзисторы предназначены для усиления и генерации СВЧ сигналов и могут работать на частотах в несколько десятков гигагерц.



1.3 Биполярные фототранзисторы

Фототранзистором называют транзистор, чувствительный к облучающему его световому потоку. Обычно дискретный фототранзистор по конструкции похож на дискретный транзистор, с тем отличием, что в герметичном корпусе фототранзистора есть окно, например, из стекла или прозрачной специальной пластмассы, через которое излучение попадает на область базы фототранзистора. Включение фототранзистора в электрическую цепь таково, что к эмиттеру подключают положительный полюс внешнего источника питания, к коллектору подсоединяют нагрузочный резистор, к которому в свою очередь подключают отрицательный полюс источника питания. При облучении области базы происходит генерация носителей зарядов, Наибольшая концентрация основных носителей заряда будет в базе, что приведёт к открытию фототранзистора, а неосновные носители заряда будут мигрировать в коллекторный переход. Следовательно, облучение фототранзистора приводит к увеличению тока его коллектора. Чем больше будет освещённость области базы, тем существенней станет ток коллектора фототранзистора. Таким образом, фототранзистором можно управлять и как обычным биполярным транзистором, варьируя током базы, и как светочувствительным прибором. К важным параметрам фототранзистора относят темновой ток, ток при освещении и интегральную чувствительность. Темновой ток - это ток коллектора при отсутствии облучения. Ток при освещении ток коллектора при наличии облучения. Интегральная чувствительность - это отношение силы тока коллектора у подключённого фототранзистора к величине светового потока.

Фототранзисторы применяют в оптронах, устройствах автоматики и телеуправления, в приборах уличного освещения и пр.



1.4 Влияние частоты на усилительные свойства биполярных транзисторов

Известно, что чем выше частота сигнала, поступающего на вход транзисторного каскада, тем меньше коэффициент усиления по току. Основной вклад в снижение усилительных свойств нужно отнести к барьерной емкости и отставанию переменных токов коллектора от эмиттера на время, необходимое для диффузии носителей заряда в области базы. Кроме того, ёмкости между корпусом и выводами транзистора пагубно влияют на усилительные свойства прибора.

Коллекторный переход транзистора обладает высоким сопротивлением. Повышение частоты приводит к снижению реактивной ёмкости коллекторного перехода, что приводит к его существенному шунтированию и ухудшению усилительных свойств каскада.

Носители заряда преодолевают область базы и рекомбинируют за небольшой конечный интервал времени, исчисляемый десятками наносекунд. Чем выше будет частота, тем существенней станет запаздывание носителей заряда. На постоянном токе сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера транзистора равен нулю, а полный ток базы минимален. На высокой частоте между переменными токами коллектора и эмиттера транзистора возникнет сдвиг фаз, которого не было на постоянном токе. При этом полный ток базы транзистора на высокой частоте много больше полного тока базы на низкой частоте и, тем более, на постоянном токе. Повышение тока базы для получения заданного фиксированного тока коллектора означает уменьшение коэффициента усиления транзистора по току.

Чтобы повысить граничную частоту усиления транзистора, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, повысить скорость прохождения через неё неосновных носителей зарядов, уменьшить ёмкость корпуса и выводов транзистора и прочее.



1.5 Пробой Биполярного транзистора

Физические причины, вызывающие пробой переходов транзистора, те же, что и в полупроводниковом диоде. В то же время пробой переходов в транзисторах имеет определенную специфику, связанную с взаимодействием переходов и проявляющуюся главным образом в схеме с общим эмиттером, где напряжение UКЭ прикладывается к обоим переходам. В схеме ОБ напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода UКБОпроб близко к напряжению пробоя изолированного перехода. Эмиттерный переход, как правило, работает при прямом смещении и его пробивное напряжение не представляет интереса, однако следует иметь в виду, что из-за сильного легирования эмиттера напряжение пробоя эмиттерного перехода мало - несколько вольт. В схеме ОЭ условия возникновения лавинного пробоя очень сильно зависят от режима базовой цепи. В случае, когда ток базы не ограничен, пробой коллекторного перехода происходит так же, как и в схеме ОБ, и возникает при том же пробивном напряжении на коллекторе UКБОпроб. При фиксированном токе базы, когда базовая цепь питается от источника тока, проявляется механизм положительной обратной связи, снижающей пробивное напряжения. Его суть состоит в том, что образующиеся в переходе в результате ударной ионизации пары носителей заряда разделяются полем перехода: электроны уходят на коллектор, увеличивая его ток, а дырки скапливаются в базе, увеличивая ее потенциал и снижая потенциальный барьер в эмиттерном переходе. В результате увеличивается инжекция электронов из эмиттера в базу и растет коллекторный ток. Соответственно уменьшается пробивное напряжение. Наиболее сильно накопление дырок в базе происходит при отсутствии базового тока (iБ =0), что соответствует разомкнутой цепи базы. В этом режиме пробивное напряжение UКЭОпроб оказывается в несколько раз ниже, чем в схеме ОБ, и определяется выражением:



UКЭОпроб = UКБОпроб

где b = 2...6 - коэффициент, зависящий от материала, из которого изготовлен транзистор. В связи с сильным уменьшением пробивного напряжения запрещается эксплуатация транзистора с разомкнутой базовой цепью.

На рисунке 3 приведены выходные характеристики транзистора в режиме пробоя. Помимо рассмотренных выше пробивных напряжений UКБОпроб и UКЭОпроб на рисунке показано напряжение UКЭRпроб соответствующее некоторому конкретному сопротивлению RБ, включенному в цепь базы и определяющему ее ток. Из рисунка видно, что UКЭОпроб < UКЭRпроб < UКБОпроб. Для увеличения напряжения пробоя коллекторного перехода степень легирования коллектора стараются выбирать достаточно низкой. Так же, как и в полупроводниковом диоде, обратимый лавинный пробой (называемый иногда первичным пробоем) при отсутствии ограничения тока может перейти в тепловой пробой (вторичный пробой), характеризующийся уменьшением напряжения иКЭ и приводящий к выходу транзистора из строя.

Рисунок 3 - Выходные характеристики транзистора в режиме пробоя

При этом в транзисторе опасность возникновения теплового пробоя оказывается значительно сильнее, чем в диоде. Это объясняется тем, что за счет инжекции электронов из эмиттера в базу через обратно - смещенный коллекторный переход при больших напряжениях протекает большой обратный ток и, соответственно, велика мощность, рассеиваемая в переходе. Тепловой пробой наступает в том случае, когда рассеиваемая на коллекторе мощность PK = uКЭ*iK превышает максимально допустимую рассеиваемую мощность PK МАКС. Гипербола, соответствующая допустимой мощности, показана пунктиром на рисунке 3. Кроме лавинного и теплового пробоя в транзисторах с очень узкой базой возникает специфический для транзисторной структуры вид пробоя, называемый эффектом смыкания. Он связан с эффектом Эрли и заключается в том, что при очень большом обратном напряжении коллекторный переход, расширяясь, заполняет всю базовую область и смыкается с эмиттерным переходом, что эквивалентно их короткому замыканию.

1.6 Режимы работы Биполярного транзистора

Для Биполярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора.

Различают четыре режима работы биполярного транзистора

Активный режим Режим отсечки Режим насыщения Инверсный режим

Рисунок 4 - Режимы работы биполярного транзистора

Активный режим - является основным режимом работы транзистора. В активном режиме на эмиттерном переходе прямое напряжение внешнего источника, то есть сопротивление эмиттерного перехода низкое - несколько Ом. На коллекторном переходе обратное включение внешнего источника - сопротивление коллекторного перехода высоко - несколько МОм. Благодаря высокому сопротивлению коллекторного перехода в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением, а ток коллектора при этом останется практически неизменным, так как он все равно будет определяться очень большой величиной сопротивления обратно смещенного коллекторного перехода.

Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напряжения. Поэтому через них проходит лишь незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. В режиме отсечки оба перехода транзистора находятся в закрытом состоянии. Сквозные потоки электронов в режиме отсечки отсутствуют. База и переходы транзистора в режиме отсечки обеднены подвижными носителями заряда, в результате чего их сопротивления оказываются очень высокими. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Ток в выходной цепи транзистора максимален и практическая не регулируется током входной цени. В этом режиме транзистор полностью открыт. И эмиттер, и коллектор инжектируют электроны в базу, в результате чего в структуре протекают два встречных сквозных потока электронов (нормальный и инверсный). От соотношения этих потоков зависит направление токов, протекающих в цепях эмиттера и коллектора. Вследствие двойной инжекции база транзистора очень сильно насыщается избыточными электронами, из-за чего усиливается их рекомбинация с дырками, и рекомбинационный ток базы оказывается значительно выше, чем в активном или инверсном режимах. Следует также отметить, что в связи с насыщением базы транзистора и его переходов избыточными носителями заряда, их сопротивления становятся очень маленькими. Поэтому цепи, содержащие транзистор, находящийся в режиме насыщения, можно считать короткозамкнутыми. Учитывая то, что в режиме насыщения напряжение между электродами транзистора составляет всего несколько десятых долей вольта, часто считают, что в этом режиме транзистор представляет собой эквипотенциальную точку.

Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а к коллекторному -- прямое. Эмиттер и коллектор меняются своими ролями - эмиттер выполняет функции коллектора, а коллектор - функции эмиттера. Этот режим, как правило, не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора. В связи с тем, что усилительные свойства транзистора в инверсном режиме оказываются значительно хуже, чем в активном режиме, транзистор в инверсном режиме практически не используется, но возможно встретить в некоторых цифровых схемах.

Активный режим используется в аналоговых схемах, а режимы отсечки и насыщения в цифровых схемах попеременно. Инверсный режим не используется.

1.7 Влияние температуры на режимы работы биполярных транзисторов

Чтобы германиевый транзистор не вышел из строя, температура его кристалла должна быть меньше примерно 70 °С, кремниевого транзистора - меньше 125 ... 150 °С, а арсенид-галлиевого транзистора - меньше 150… 200 °С. Введение легирующих добавок несколько корректирует максимально допустимую температуру кристалла, а некоторые специально сконструированные транзисторы выдерживают и более высокую температуру.

При существенно более высокой температуре транзистора он испортится из-за необратимой перестройки кристаллической решётки. Нагрев биполярных транзисторов вызывает увеличения проводимости области базы и обратного тока коллектора. При повышении температуры корпуса транзистора от 20 °С до 60 °С обратный ток коллектора обычно может возрасти до шести раз. Следовательно, флюктуации температуры оказывают очень существенное влияние на функционирование транзисторного каскада, вызывая значительные изменения режима его работы. Чтобы флюктуация температуры не привела, допустим, к возникновению автогенерации каскада, предназначенного для усиления, или другим вредным последствиям, необходимо применять цепи термостабилизации режимов работы транзисторов.

1.8 Схемы включения биполярного транзистора

В большинстве электрических схем транзистор используется в качестве четырехполюсника, то есть устройства, имеющего два входных и два выходных вывода. Очевидно, что, поскольку транзистор имеет только три вывода, для его использования в качестве четырехполюсника необходимо один из выводов транзистора сделать общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора: схемы с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором(ОК). На рисунке 5 показаны полярности напряжений между электродами и направления токов, соответствующие активному режиму в указанных схемах включения транзистора. Следует отметить, что токи транзистора обозначаются одним индексом, соответствующим названию электрода, во внешней цепи которого протекает данный ток, а напряжения между электродами обозначаются двумя индексами, причем вторым указывается индекс, соответствующий названию общего электрода. В схеме с общей базой входной цепью является цепь эмиттера, а выходной - цепь коллектора. Схема ОБ наиболее проста для анализа, поскольку в ней каждое из внешних напряжений прикладывается к конкретному переходу: напряжение иЭБ прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение иКБ - к коллекторному. Следует заметить, что падениями напряжений на областях эмиттера, базы и коллектора можно в первом приближении пренебречь, поскольку сопротивления этих областей значительно меньше сопротивлений переходов. Нетрудно убедиться, что приведенные на рисунке полярности напряжений (иЭБ<0; иКБ > 0) обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора.

В схеме с общим эмиттером входной цепью является цепь базы, а выходной - цепь коллектора. В схеме ОЭ напряжение иБЭ >0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и отпирает его. Напряжение иКЭ распределяется между обоими переходами:

иКЭ = иКБ + иБЭ

Для того, чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо иКБ = иКЭ - иБЭ > 0, что обеспечивается при иКЭ > иБЭ > 0.Схема обладает средними значениями входным и выходным сопротивлениями, а также усиленной мощностью (усиливается как ток, так и напряжение).

В схеме с общим коллектором входной цепью является цепь базы, а выходной - цепь эмиттера.

Схема обладает максимальным входным сопротивлением и минимальным выходным. Ток в схеме усиливается, а напряжение нет.



Схема включения биполярного транзистора с обидим коллектором (ОК)

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

Схема включения биполярного транзистора с общей базой (ОБ)

Рисунок 5 - Схемы включения биполярного транзистора

1.9 Принцип работы биполярного транзистора

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-р-n - типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-р-типа- дырки. Для этого к электродам транзистора подключают источники тока обратной полярности.



эмиттерный переход коллекторный переход

Рисунок 6 - Схема включения биполярного транзистора n-p-n-типа

Рассмотрим схему на основе биполярного транзистора n-p-n типа (рис. 6). На левом p-n переходе между крайней левой областью (эммитер) и средней областью (база) создается прямое смещение, на правом p-n переходе между базой и крайней правой областью (коллектор) - обратное. Левый эмиттерный переход имеет малый потенциальный барьер для электронов как основных носителей эмиттера, что дает им возможность проникнуть беспрепятственно в базу. В свою очередь электроны в базе могут либо рекомбинировать с дырками, что создаст определенный базовый ток IБ, либо диффузионно (поле в базе практически равно нулю) пройти правый коллекторный переход, который для них также будет незапирающим, и захватиться полем коллектора. Второй электронный процесс сформирует коллекторный ток IК, который будет во много раз больше базового, так как благодаря малости размеров и степени легирования базы большая часть электронов пройдет именно в коллектор. Рассматривая область базы как узел для эмиттерного, базового и коллекторного электродов.

Эмиттерный переход внешним источником напряжения смещен в прямом направлении (ЭП, рисунок 6). Напряженность поля эмиттерного перехода при этом уменьшается. Через эмиттерный переход происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. В цепи эмиттера появится ток, равный сумме токов, обусловленных электронной IЭ(n) и дырочной IЭ(p) электропроводностями:

IЭ = IЭ(n) + IЭ(p) ? IЭ(p) (1)

Особенность транзистора состоит, в том, что концентрация дырок в эмиттере намного больше концентрации электронов в базе. Поэтому дырочная составляющая тока эмиттера значительно больше электронной (1). В базе происходит накопление неосновных носителей зарядов-дырок. В результате диффузии дырки перемещаются к коллекторному переходу. Часть дырок при этом рекомбинирует в базе с электронами, что создают ток в цепи базы IБ. Но так как толщина базы очень мала (несколько микрометров), доля рекомбинированных дырок незначительна. Вблизи коллекторного перехода дырки оказываются под действием электрического поля, обратновключенного перехода, увлекаются им через переход в коллекторную область и далее - к выводу коллектора, где рекомбинируют с электронами, поставляемыми через внешнюю цепь источником э.д.с, что создает ток в коллекторной цепи IК.

Таким образом, ток эмиттера равен сумме токов базы IБ и коллектора IК:

IЭ = IК + IБ (2)

Ток коллектора состоит из потока дырок инжектируемых эмиттером за вычетом тока базы и собственного теплового тока коллекторного перехода:

Iк = IЭ(p) - Iб + Iк0 =бIЭ + Iк0 (3)

где а = IК / IЭ - коэффициент передачи тока эмиттера; IК0 - тепловой ток обратно включенного коллекторного перехода. Отсюда, ток базы равен:

Iб = Iэ - Iк = (1 - б)Iэ - Ik0, (4)

Этот ток составляет не более 1% от тока эмиттера. Все сказанное справедливо также для транзистора p-n-p-типа с учетом высказанных ранее замечаний о перемене на противоположное направление движения токов и смене знаков источников питания схемы транзистора.

1.10 Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

Рисунок 7 - ВАХ Биполярного транзистора

Свойства каждого транзистора определяются двумя основными семействами его ВАХ. Первое семейство характеристик I зависимость тока выходной цепи от напряжения между электродами транзистора, включенными в выходную цепь, при каком-либо из остальных токов транзистора, взятом в качестве параметра. В качестве параметра может быть взятая и любая другая величина, например напряжение между электродами транзистор, включенными в цепь управления. Это семейство описывает свойства транзистора по отношению к выходной цепи. Второе семейство характеристик - зависимость тока входной цепи (цепи управления) от напряжения между электродами транзистора, включенными в выходную цепь (или при токе выходной цепи), взятом в качестве параметра. Это семейство характеристик описывает свойства транзистора по отношению к цепи управления.

На рисунке 7, а, изображено семейство выходных характеристик iк = f(uэк) при параметре iк для схемы с общим эмиттером (см. рисунок 5). Правее вертикальной пунктирной прямой А -- А кривые начинаю круто подниматься. Это свидетельствует о том, что в данной зоне может произойти пробой транзистора. Поэтому в зоне правее прямой А - А работать нельзя.

Расположенная в третьем квадранте кривая ОВ иллюстрирует потерю управляемости транзистора при изменении полярности ЭДС в выходной цепи.

При протекании тока по транзистору он нагревается выделяющейся в нем теплотой. Каждый транзистор в зависимости от размеров и условий охлаждения может отдавать в окружающее пространство определенное количество теплоты. Допустимое количество теплоты, выделяющейся в транзисторе, характеризуется мощностью рассеяния рк=uэкiк. На рисунке 7, а пунктиром нанесена гипербола iK=pK / uк=f(иэк). Транзистор не перегревается в условиях длительного режима в том случае, если рабочая точка находится внутри заштрихованной области (кратковременно можно работать и в области, находящейся выше пунктирной кривой). На рисунке 7, б. качественно изображено семейство входных характеристик транзистора iб при параметре иэк в схеме с общим эмиттером (см. рисунок 5).

Важно обратить внимание на то, что любой ток транзистора (например, iк или iб)является функцией не одной, а двух переменных. Так, ток iK = f(иэк). является функцией иэк iэ, ток iб - функцией иэб и иэк.

В радиотехнике свойства транзистора иногда описывают еще так называемой проходной характеристикой iK = f(иэк). (рисунок 7, в). Ее используют, например, когда ток iK имеет форму косинусоидальных импульсов с отсечкой (в резонансных усилителях мощности, умножителях частоты и других устройствах).

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и широко применяются в различных усилителях, генераторах, в импульсных и ключевых устройствах.



Глава 2. Биполярный транзистор КТ375А

2.1 Общие сведения Биполярного транзистора КТЗ75А

Транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные n-p-n универсальные высокочастотные маломощные. Предназначены для работы в переключательных и усилительных схемах высокой частоты.

Выпускаются в пластмассовом корпусе с гибкими выводами. Обозначение типа приводится на этикетке.

Масса транзистора не более 0,25 г.

2.2 Цоколевка транзистора КТ375А

Рисунок 8 - Цоколевка Биполярного транзистора КТ375А

2.3 Обозначение транзистора КТ375А на схемах

На принципиальных схемах транзистор обозначается как буквенным кодом, так и условным графическим. Буквенный код состоит из латинских букв VT и цифры (порядкового номера на схеме). Условное графическое обозначение транзистора КТ375А обычно помещают в кружок, символизирующий его корпус. Короткая черточка с линией от середины символизирует базу, Две наклонные линии, проведенные к ее краям под углом 60°,_эмиттер и коллектор. Эмиттер имеет стрелку, направленную от базы.

VT1

Рисунок 9 - Обозначение Биполярного транзистора КТ375А на схемах,

2.4 Характеристики транзистора КТ375А

Таблица 1 - Электрические параметры транзистора КТ375А

Параметр	Обратный ток коллектора, мкА	Обратный ток эмиттера , мкА	Граничное напряжение транзистора, В	Модуль коэффициента передачи гока на высокой частоте	Статический коэффициент передачи гока в схеме с ОЭ	Коэффициент шума, дБ	Емкость коллекторного перехода, пФ	Постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте, не
Обозначение	Iкб0	Iэб0	Uкэ0 гр	Ih21э I	h21э	Кш	Ск	фк
Числовое значение	0,1-0,3	1	60	2,5	10-100	4	5	300

2.5 Аналоги Биполярного транзистора КТ375А

ВС 170В

ВС170А

MPS706A; 2SC620; 

2N3904; 

2N3903;

2N4873; 2N4449; 

2N4419;

2N4420; 

 2N4421;

2N4418=

Рассмотрим один из аналогов Биполярного транзистора КТЗ75А-- MPS706A

Основные параметры транзистора MPS706A биполярного высокочастотного n-p-n.

Исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор: кремний (Si) Структура полупроводникового перехода: n-p-n

Pc max	Ucb max	Uce max	Ueb max	Ic max	Tj max, °C	Ft max	Cc tip	Hfe
350mW	25V	20V	5V	100mA	135°C	200MHz	6	20/60

Pc max - предельная постоянная рассеиваемая мощность коллектора при температуре менее 26 градусов Цельсия; Ucb max - предельное постоянное напряжение коллектор - база; Uce max - предельное постоянное напряжение коллектор - эмиттер; Ueb max - предельное постоянное напряжение эмиттер - база; Ic max - предельный постоянный ток коллектора; Tj max - предельная температура p-n перехода; Ft max - граничная частота коэффициента передачи тока; Cc tip - типовое значение емкости коллекторного перехода; Hfe - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером;

Производитель: MOTOROLA Сфера применения: Low Power, Switching, High Frecvency Условные обозначения описаны на странице «Теория».

Цоколевка транзистора MPS706A

Рисунок 10 - Цоколевка транзистора MPS706A

Обозначение контактов: Международное: C - коллектор, B - база, E - эмиттер. Российское: К - коллектор, Б - база, Э - эмиттер. 

2.6 Вольт-амперные характеристики Биполярного транзистора КТ375А

Рисунок 11 - Входная вольт-амперная характеристика



Рисунок 12 - Выходная вольт-амперная характеристика



Глава 3. Расчёт характеристик транзистора КТ375А

3.1 Исходные данные

Дан биполярный транзистор КТ375А, включенный по схеме с общим эмиттером. Выходная цепь транзистора нагружена резистор Rн = 0,6 * 1030м и питается от источника ЭДС Еп = 28 В. Построим нагрузочную линию, выберем рабочую точку и определим основные параметры и характеристики транзистора.

Рисунок 13

3.2 Построение нагрузочной линии по постоянному току

Нагрузочная линия определяет режим работы выходной цепи транзистора, поэтому она строится на выходной вольт-амперной характеристике транзистора и определяется следующим уравнением:

(2.1)

Для получения нагрузочной линии необходимо найти 2 точки, удовлетворяющие уравнению (2.1):

1) приравниваем к нулю ток коллектора Ik = 0, в этом случае напряжение коллектор-эмиттер равно напряжению питания:

Uкэ = Еп = 28 В; (2.2)

2)приравниваем нулю напряжение коллектор-эмиттер, тогда ток коллектора равен:

(2.3)

Отмечаем точки (Ik = 0 Uкэ = 28 В) и (Ik = 47мA; Uкэ = 0) на выходной вольт-амперной характеристике транзистора. Соединив эти точки, получаем нагрузочную линию (рисунок 14).

Рисунок 14

3.3 Выбор рабочей точки

Рабочая точка должна быть выбрана примерно посередине между режимами отсечки и насыщения на ближайшей выходной характеристике.

Так как в нашем случае рабочая точка попадает на характеристику Iб = 0,12 мА (рисунок 15). Выбранной точке соответствуют следующие параметры рабочего режима:

Iб0 = 0,12 мА; (2.4) Iк0 = 23 мА; (2.5) Uкэ0 =14 В. (2.6)

Ещё один параметр определяем по входной ВАХ (рисунок 16). Несмотря на то, что напряжение коллектор-эмиттер Uкэ0 = 14 В > 10 В для расчёта выбираем именно характеристику Uкэ0 = 10 В, потому что для активного режима эти характеристики практически совпадают.

Таким образом, транзистор будет работать в выбранном режиме при напряжении смещения:

и6э0 = 1,28 В. (2.7)

Рисунок 15

Рисунок 16

3.4 Определение h-параметров

Для определения h-параметров транзистора необходимы его входная и выходная вольт-амперные характеристики. На входной В АХ задаёмся приращением базового тока относительно рабочей точки (рисунок 17):

ДIб = ±0,6 мА = 0,12 мА (2.8)

Приращению базового тока соответствует приращение напряжения база- эмиттер, равное:

ДUбэ = 0,07 В = 70мВ. (2.9)

Параметр h11Э, определяющий входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока, ранен:

(2.10)

На выходной ВАХ транзистора также задаёмся приращением тока базы (рисунок 18):

Iб = ±1,6 мА = 0,12 мА. Д(2.11)

Рисунок 17



Рисунок 18

Соответствующее приращение тока коллектора равно:

ДIk= 24 мА (2.12)

Тогда параметр h21э, т.е. коэффициент передачи транзистора по току при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока, равен:

(2.13)

Для определения следующего h-параметра задаёмся приращением напряжения коллектор-эмиттер на выходной В АХ транзистора (рисунок 19):

ДUKЭ = ±2B = 4B. (2.14)

Соответствующее приращение тока коллектора составляет:

ДIk= 4,5мА (2.15)

Выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи) - параметр h22Эравен:

(2.16)

Последний h-параметр - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока определяется по формуле пересчета:

(2.17)

где Iэ0 - значение тока эмиттера.

Так как ток эмиттера равен:

Iэ0 = Iк0 - Iб0 = 23 мА -0,12 мА = 22,88 мА (2.18)

то параметр h12э имеет значение:

(2.19)

Рисунок 19

3.5 Расчет внешних элементов эквивалентной схемы

Физическая малосигнальная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто) представлена на рисунке 20. Рассчитаем величины входящих в неб элементов.

Значения конденсаторов Ск и Сэ, равны емкостям коллекторного и эмиттерного переходов и находятся по справочнику:

Ск = 5 пФ; (2.20) Сэ = 5 пФ; (2.21)



Рисунок 20

Для расчета сопротивлений резисторов необходимо определить сопротивление эмиттерного перехода, эмиттерному току и крутизну вольт- амперной характеристики транзистора:

(2.22)

(2.23)

Сопротивление эмиттерного переходе базовому току рассчитывается по формуле:

(2.24)

Выходное сопротивление транзистора равно:

(2.25)

Сопротивление коллекторного перехода:

(2.26)

И, наконец, последний параметр - объёмное сопротивление баш:

rб = h11э - rбэ = 583 - 218 = 365 Ом (2.27)

3.6 Расчёт граничных и предельных частот

Предельную частоту передачи тока рассчитываем по формуле:

(2.28)

Так как модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте равен, согласно справочнику |h21э| =2,5, а частота измерения fизм = 250 МГц, то значение граничной частоты передачи тока равно:

(2.29)

Из справочника находим значение постоянной времени цепи обратной связи ф = 300 нс. (2.30)

Далее рассчитываем максимальную частоту генерации транзистора:

(2.31)

Предельная частота транзистора по крутизне:

транзистор передача пробой модуль

3.7 Определение частотных зависимостей Y-параметров

Необходимо определить частотные зависимости модулей проводимости прямой передачи |Y21(щ)|и входной проводимости транзистора |Y11(щ)|

Перечисленные величины определяется на практике при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора.

Определим зависимость |Y21(щ)|:

(2.33)

Зависимость |Y11(щ)|равна:

(2.34)

Для построения графиков найденных зависимостей необходимо рассчитать некоторое количество точек. Максимальное значение частоты не должно быть меньше, чем щs =50щ = 50 * 2р * fs, т. е. для нашего случая - 1,67*1012 рад/с. Исходя из этого заполняем таблицу 2.

Таблица 2 - Значения |Y21(щ)|и |Y11(щ)|.

щs, 1012	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1	1.2	1.4	1.6	1.8	2
|Y21(щ)|,10-3	44	8,6	4,37	2.92	2.19	1.75	1.46	1.25	1.1	0.97	0.88
|Y11(щ)|, 10-3	1	0,599	0,599	0,596	0,596	0,596	0,596	0,596	0,596	0,596	0,595

По значениям таблицы 2 строим графики |Y21(щ)| (рисунок 21) и |Y11(щ)|, (рисунок22).

Рисунок 21



Рисунок 22



Заключение

В 1958 г. американские ученые Дж. Бардин и В. Браттейн создали полупроводниковый триод, или транзистор. Это событие имело громадное значение для развития полупроводниковой электроники. Транзисторы могут работать при значительно меньших напряжениях, чем ламповые триоды, и не являются простыми заменителями последних: их можно использовать не только для усиления и генерации переменного тока, но и в качестве ключевых элементов. Определение "биполярный" указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух сортов (электроны и дырки).

Без транзисторов не обходится не одно предприятие, которое выпускает электронику. На транзисторах основана вся современная электроника. Их широко применяют в теле, радио и компьютерных аппаратурах.

Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы с двумя p-n-переходами. В простейшем случае транзисторы состоят из кристалла германия и двух клемм (эмиттер и коллектор), касающихся поверхности кристалла на расстоянии 20-50 микронов друг от друга. Каждая клемма образует с кристаллом обычный выпрямительный контакт с проводимостью от клеммы к кристаллу. Если между эмиттером и базой подать прямое смещение, а между коллектором и базой - обратное, то оказывается, что величина тока коллектора находится в прямой зависимости от величины тока эмиттера. Транзистор состоит из кристалла полупроводника (германия, кремния, арсенида, индия, астата, и др.), имеющего три слоя различной проводимости р и п. Проводимость типа р создаётся избыточными носителями положительных зарядов, так называемыми "дырками", образующиеся в случае недостатка электронов в слое. В слое типа п проводимость осуществляется избыточными электронами.

Мною изучен биполярный транзистор КТ375А кремниевый, малой мощности, структуры n-p-n. Этот транзистор имел в свое время большое распространение и широкую область применения. Применяется в усилителях высокой частоты и переключающих устройствах. Тип прибора указывается в этикетке. Выпускался в пластиковом корпусе с гибкими выводами (КТ-26 (ТО-92) маркировался буквой М в конце или цветовым кодом). Серия транзистора (КТ375 А) обозначается сбоку корпуса зеленой точкой, а тип прибора (буква) на торце.

Исходя из полученных графиков частотных зависимостей модулей проводимости прямой передачи |Y21(щ)| и входной проводимости транзистора |Y11(щ)|, можно сделать вывод, что при увеличении частоты уменьшается проводимость транзистора, которая при прямой передачи выражена в больших значениях, чем при входной.

Транзистор КТ375А является универсальным, и подобрать для него аналог из большого ряда зарубежных не составляет труда, наиболее распространенный вариант замены - ВС 170В, ВС170А.



Список литературы

1. В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев «Электроника», Москва «Высшая школа» 1991 г.

2. И.П. Жеребцов «Основы Электроники», Санкт Петербург «Энергатомиздат» 2005 г.

3. В.В. Мукосеев «Маркировка и обозначение радиоэлементов», 1947 г.

4. Б.Л. Перельман «Транзисторы для аппаратуры широкого применения», Москва «Радио и связь» 1981 г.

5. Н.Н. Горюнов «Полупроводниковые приборы: транзисторы», Москва «Энергоатомиздат» 1985 г.

Размещено на Allbest.ru

...