Общая характеристика биполярного транзистора ГТ310А

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии, в основном для приёма, передачи, обработки и хранения информации.

Сфера применения электроники постоянно расширяется и поэтому знания в данной области становятся необходимыми для специалистов. Практически каждая сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Характеристики электронных устройств определяются, прежде всего, характеристиками составляющих их элементов.

Цель данной курсовой работы: рассмотреть биполярный транзистор ГТ310А, определить его параметры и статические характеристики, в соответствии с заданными условиями выполнить анализ работы транзистора с нагрузкой в выходной цепи, рассчитать параметры эквивалентной схемы и малосигнальные параметры транзистора.

В теоретической части изложены общие теоретические сведения о биполярных транзисторах, приведены справочные данные биполярного транзистора ГТ310А: описание, электрические параметры и предельный эксплуатационные данные. Приведены семейства входных и выходных статистических характеристик транзистора, представлены аналоги транзистора ГТ310А.

В расчетной части указаны исходные данные, построена нагрузочная прямая по постоянному току, выбрано положение рабочей точки (точки покоя). Для данного транзистора определены малосигнальные параметры в окрестностях точки покоя, величины элементов эквивалентной схемы, граничные и предельные частоты транзистора, построены графики зависимости от частоты.

1. Теоретическая часть

1.1 Общие сведения о биполярных транзисторах

ток транзистор биполярный

Изобретение в 1948 году Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном транзистора стало одной из крупнейших вех в истории электроники. Электронные лампы, которые до этого в течение долгого времени были непременным и главнейшим элементом всех радио -- и электронных устройств, имели много недостатков. По мере усложнения радиоаппаратуры и повышения общих требований к ней, эти недостатки ощущались все острее. К ним нужно отнести, прежде всего, механическую непрочность ламп, малый срок их службы, большие габариты, невысокий КПД из-за больших тепловых потерь на аноде. Поэтому, когда на смену вакуумным лампам во второй половине XX века пришли полупроводниковые элементы, не обладавшие ни одним из перечисленных изъянов, в радиотехнике и электронике произошел настоящий переворот.

Транзисторами называют трёхэлектродные полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования электрических сигналов. Термин "транзистор" происходит от комбинации английских слов "transfer of resistor", что в переводе обозначает "преобразователь сопротивления". Классификация транзисторов производится по следующим признакам:

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).

По принципу действия: биполярные и полевые (униполярные). В биполярных транзисторах происходит перемещение как основных так и неосновных носителей заряда. В полевых транзисторах перемещаются только основные носители заряда. В биполярных транзисторах управление потоком носителей заряда осуществляется путём изменения уровня их инжекции (или экстракции), а в полевых транзисторах поток носителей заряда управляется электрическим полем.

По частотным свойствам:

низкочастотные (НЧ, f < 3 МГц);

среднечастотные (СрЧ, f = 3ч30 МГц);

высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ и СВЧ, f > 30 МГц).

По мощности:

маломощные (ММ, P < 0,3 Вт);

средней мощности (СрМ, Р = 0,3ч3 Вт);

мощные (М, Р >3 Вт).

Каждый транзистор имеет свою уникальную маркировку, позволяющую идентифицировать его из множества других.

Маркировка транзисторов:

Таблица 1

где:

I - материал полупроводника: Г - германий, К - кремний, А - арсенид галлия.

II - тип транзистора по принципу действия: Т - биполярные, П - полевые.

III - три или четыре цифры - группа транзисторов по электрическим параметрам.

IV - модификация транзистора в 3-й группе (от А до Л).

Первая цифра показывает частотные свойства и мощность транзистора в соответствии с ниже приведённой таблицей.

Таблица 2

Биполярный транзистор - это трёхэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами. Он представляет собой трёхслойный полупроводниковый монокристалл с чередующимся типом электропроводности. Существуют n-p-n-структуры и p-n-p-структуры. В первом случае, основными носителями заряда являются электроны, а во втором - "дырки". Центральную часть кристалла называю базой (Б). С одной стороны к базе примыкает область с высокой концентрацией примеси, называемая эмиттером (Э), с другой - с низкой концентрацией примеси, называемая коллектором (К). Между базой и эмиттером существует эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором - коллекторный (КП). Взаимодействие между переходами будет существовать, если толщина базы много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. Ниже, на рисунке 1, представлена структура кремниевого монокристалла, характерная для большинства современных транзисторов.

Рисунок 1

На сильнолегированной подложке (1) сформирован слаболегированный слой (2) толщиной около 10 мкм, в котором методом локальной диффузии созданы слой базы (3) с дырочной электропроводностью и слой эмиттера (4). Толщина базового слоя составляет около 1 мкм. На поверхности кристалла расположен защитный слой диоксида кремния (SiO2) толщиной порядка 1 мкм, через отверстия в котором осуществлены металлические выводы эмиттера и базы. Тонкая база имеет значительную протяжённость в горизонтальном направлении, поэтому она обладает сравнительно большим сопротивлением (). Чтобы снизить это сопротивление от базы делают два вывода, которые соединяют вместе.

В упрощённом виде модели транзисторов и их схематичные изображения представлены на рисунке 2. Направление стрелки в транзисторе (смотри рисунок 2) 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.

Рисунок 2

Биполярный транзистор является активным прибором, позволяющим осуществлять усиление электрических сигналов. В конкретных электронных схемах он включается как четырёхполюсник, у которого имеются входная и выходная цепи. Один из трёх электродов транзистора является общим - отсюда имеется три схемы включения прибора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК), показанные на рисунках 3а, 3б, 3в соответственно (для n-p-n - транзистора).

Рисунок 3

Для обозначения напряжений, подаваемых на электроды транзистора, используют двойные индексы. Первый индекс обозначает электрод, на который подаётся напряжение, измеряемое относительно общего электрода, обозначаемого вторым индексом (например, Uб-э - напряжение между базой и эмиттером в транзисторе, подключённом по схеме с общим эмиттером).

В зависимости от состояния p-n переходов (открыто - закрыто) существуют четыре режима работы транзистора: активный, инверсный, насыщения и отсечки (смотри таблицу 3).

Таблица 3

В зависимости от режима работы в транзисторе существуют определённые потоки носителей заряда. Через открытые переходы протекают основные носители заряда, обозначенные цифрами 1 - 4, через закрытые - неосновные, обозначенные цифрами 5 - 8. Всего при работе транзистора в различных режимах учитывают 8 потоков (смотри таблицу 3 и рисунок 4).

Рисунок 4

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

В активном режиме при подаче на эмиттерный переход прямого напряжения потенциальный барьер в нём снижается на величину приложенного напряжения Uэ-б, а при подаче на коллекторный переход обратного напряжения потенциальный барьер в нём повышается на величину Uк-б. Через низкиё потенциальный барьер электроны из эмиттера переходят в базу (поток 1), диффундируют через неё, достигают коллекторного перехода, попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода и переносятся этим полем в коллектор. Перемещаясь через базу часть электронов встречается с дырками и рекомбинирует с ними, в результате чего поток 1 разделяется на поток 1' и поток 1" (смотри рисунок 5).



Рисунок 5

Помимо основного потока в транзисторе присутствуют побочные потоки носителей заряда. Поток 3 образован перемещением дырок из базы в эмиттер. Потоки 6 и 8, образованные неосновными носителями заряда, создают тепловой ток коллекторного перехода. Полезную функцию выполняет только поток 1', протекающий через оба p-n перехода и образующий ток связи Iэ-к, который имеет одно и тоже численное значение как в цепи эмиттера, так и в цепи коллектора. Величиной Iэ-к можно управлять, изменяя напряжение на эмиттерном переходе. Наличие тока связи позволяет применять транзистор для усиления электрических сигналов. Все остальные потоки являются бесполезными и сводятся к минимуму. С этой целью концентрацию примеси в эмиттере делают на несколько порядков больше концентрации в базе, а базу делают очень узкой, чтобы уменьшить рекомбинацию. В некоторых случаях примесь в базе распределяют неравномерно, в результате чего в базе возникает внутреннее электрическое поле, поэтому электроны быстрее перемещаются через базу и возможность рекомбинации уменьшается. Концентрация примеси в коллекторе как правило ниже концентрации в эмиттере. Благодаря этому коллекторный переход получается более широким, что позволяет подавать на него высокое обратное напряжение, тем самым улучшая усилительные свойства транзистора.

При переводе транзистора в режим отсечки поступление электронов в коллекторный переход прекращается, сопротивление перехода повышается, и через него проходят только потоки 6, 8, создающие незначительный ток в коллекторной цепи.

Если транзистор переведён в режим насыщения, то концентрация подвижных зарядов в коллекторном переходе увеличивается и его сопротивление резко уменьшается. Таким образом, переводя транзистор из режима насыщения в режим отсечки, его можно использовать в качестве электронного ключа, замыкающего и размыкающего электрическую цепь.

Способность транзистора усиливать мощность электрических сигналов проявляется только в активном режиме. Если в этом режиме в цепь эмиттера последовательно с источником постоянного напряжения включить источник переменного напряжения с амплитудой Uэm, то ток связи будет измеряться с амплитудой Iэm и от источника переменного напряжения будет потребляться мощность Pвх = I2 эm * rэ, где rэ - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. При наличии в коллекторной цепи резистора нагрузки Rн ток связи выделит в нём мощность Рвых = * I2 эm * Rн. Эта мощность в Rн/ rэ раз больше мощности, потреблённой от источника переменного напряжения во входной цепи, то есть обладает усилительным эффектом. Этот эффект обусловлен тем, что, затрачивая небольшую мощность на изменение сопротивления коллекторного перехода, можно управлять током, потребляемым от источника постоянного тока, включённого в коллекторную цепь, и преобразовывать мощность источника постоянного тока в мощность источника переменного, выделяемую в резисторе нагрузки, включённом в коллекторную цепь. Ток эмиттера создаётся потоками 1 и 3: Iэ = I1 + I3, где I1 - электронная составляющая (Iэn), I3 - дырочная (Iэp). Электронная составляющая тока эмиттера является полезной, а дырочная - побочной. Долю электронной составляющей тока эмиттера оценивают эффективностью эмиттера (или ещё - коэффициент инжекции):

г = Iэn / Iэ

Для повышения эффективности необходимо уменьшить дырочную составляющую, что достигается путём уменьшения концентрации примеси в базе и увеличения концентрации примеси в эмиттере.

В базе поток 1 разделяется на две части. Долю электронов, инжектированных в базу и достигших коллектора, оценивают коэффициентом переноса:

д = I'1 / Iэn

Ток коллектора создаётся электронами, покинувшими эмиттер и достигшими коллектора (поток 1'), а также неосновными носителями зарядов (потоки 6 и 8). Ток, создаваемый потоками 6 и 8 обозначают Iк-б0, где к обозначает ток коллектора, б - транзистор подключен по схеме с общей базой, 0 - в цепи третьего электрода (эмиттера) ток равен нулю. Иначе говоря, Iк-б0 - ток в цепи коллектора при разомкнутой цепи эмиттера. Таким образом ток коллектора равен:

Iк = I'1 + Iк-б0

или

Iк = г * д * Iэ + Iк-б0,

где г * д = б - коэффициент передачи тока эмиттера (в современных транзисторах б ? 0,99). Тогда:

Iк = б * Iэ + Iк-б0

Ток базы в схеме с общей базой является результатом побочных эффектов. Он обусловлен тремя процессами: рекомбинацией в базе, происходящей при перемещении электронов от эмиттера к коллектору (поток 1"), перемещением дырок из базы в эмиттер (поток 3) и перемещением неосновных носителей заряда (потоки 6 и 8). Поток 3 выражается через ток эмиттера уравнением: I3 = (1 - г) * Iэ. Поток 1" уравнением: I"1 = (1 - д)* г * Iэ. Следовательно:

Iб = (1 - б) * Iэ + Iк-б0

Все три тока транзистора связаны соотношением: Iэ = Iк + Iб.

Для схемы с общим эмиттером входным током является ток базы. Тогда:

Iк = в * Iб + Iк-э0,

где в - коэффициент передачи тока базы, в = б/(1 - б); ток Iк-э0 - ток, протекающий в цепи коллектора по схеме с общим эмиттером при разомкнутой цепи базы. Ток Iк-э0 гораздо больше тока Iк-б0, так как в его создании участвуют не только потоки 6 и 8, но и электроны, пришедшие из эмиттера.

Коэффициенты передачи токов характеризуют полезный эффект в транзисторе. Они связывают между собой входной и выходной токи. Коэффициенты передачи зависят от схемы включения и режима работы транзистора. Для схемы с общей базой коэффициент б будет равен:

б =

Коэффициент передачи тока эмиттера часто называют нормальным коэффициентом передачи тока эмиттера (бN) или интегральным коэффициентом передачи тока эмиттера.

Зависимость коэффициентов б и в от тока эмиттера представлена на рисунках 6а и 6б.

Усилительные свойства транзистора, работающего в инверсном режиме определяются коэффициентами бI и вI. Коэффициент бI характеризует передачу тока из цепи коллектора в цепь эмиттера. Поскольку концентрация примесей в коллекторе меньше чем в эмиттере, то эффективность коллектора оказывается сравнительно невысокой и бI << б. Тоже касается и коэффициента передачи тока базы в цепь эмиттера вI.

Рисунок 6

Статические характеристики устанавливают взаимосвязь между постоянными входными и выходными токами и напряжениями (Iвх, Iвых, Uвх, Uвых) в виде графиков. Изменение численного значения любой из этих величин вызывает изменение численного значения всех остальных. Для удобства и простоты измерения в качестве независимых переменных принимают Iвх, Uвх и Uвых. В этом случае возможны две системы характеристик:

первая система: Iвх, Iвых = f(Uвх, Uвых);

вторая система: Uвх, Iвых = f (Iвх, Uвых).

В тех случаях, когда базовая цепь питается от источника с низким внутренним сопротивлением, целесообразно использовать первую систему характеристик, если же источник, питающий входную цепь, обладает высоким внутренним сопротивлением, то целесообразно использовать вторую. Всего в каждой системе существуют четыре характеристики (смотри таблицу 4).

Таблица 4

Характеристики зависят от схемы включения транзистора. Обычно используют характеристики для схем с общим эмиттером и общей базой. Характеристики для схемы с общим эмиттером неудобны для практического применения. Ниже в таблице представлены входные и выходные напряжения для схем с общим эмиттером и общей базой.

Таблица 5

На рисунке 7 представлены графики зависимостей токов транзистора от входных напряжений при подключениях по схеме с общей базой и общим эмиттером. Входные напряжения для обоих подключений различаются только индексами и знаками.



Рисунок 7

На рисунках 8а и 8б отображены выходные характеристики транзисторов, подключённых по схемам с общей базой и общим эмиттером соответственно.

Рисунок 8

Существенное влияние на физические процессы в транзисторе оказывает температура. С ростом температуры снижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе, из-за чего возрастает ток эмиттера и характеристики сдвигаются в область более низких входных напряжений, что оценивается температурным коэффициентом напряжения dUвх / Uвх*dT. С ростом температуры возрастает ток Iк-б0. В третьих при повышении температуры увеличивается коэффициент передачи тока эмиттера, температурный коэффициент которого dб/б*dT лежит в пределах от 0,03% до 0,05% на 1 градус Цельсия. Поэтому ток коллектора в схеме с общей базой возрастает на величину dIк = б*dIэ + Iэ*dб + dIк-б0.

Для уменьшения температурной зависимости тока эмиттера в цепь эмиттера включают резистор, обеспечивающий постоянство тока эмиттера. При повышении температуры на 100O С относительное изменение коэффициента передачи тока эмиттера не превышает 5%. Ток Iк-б0 при этом возрастает в 1000 раз, однако вследствие того что он очень мал в сравнении с рабочим током коллектора, его влияние на относительное изменение тока коллектора незначительно. Поэтому можно считать, что ток коллектора в основном изменяется в зависимости от изменения коэффициента передачи тока эмиттера.

В схеме с общим эмиттером ток коллектора зависит от изменения тока базы:

Iк = в*Iб + Iк-э0 = в* Iб + (в + 1)* Iк-б0.

Приращение тока в схеме сообщим эмиттером равно:

dIк = в*dIб + dв* Iб + dв*Iк-б0 + в*d Iк-б0 + d Iк-б0.

При обеспечении постоянства тока базы первым слагаемым можно пренебречь, тогда

dIк = dв*(Iб + Iк-б0) + (в + 1)* Iк-б0.

В схеме с общим эмиттером ток коллектора сильнее зависит от температуры чем в схеме с общей базой. Поэтому при использовании конкретных схем включения транзисторов принимают меры к повышению температурной стабильности.

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

1) коэффициент усиления по току Iвых / Iвх (для схемы с общей базой Iвых / Iвх = Iк / Iэ = б, б < 1);

2) входное сопротивление Rвхб = Uвх / Iвх = Uэ-б / Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой (рисунок 3а) 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.

Схема включения с общим эмиттером (рисунок 3б) является наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности. Для схемы с общим эмиттером Iвх = Iб, Iвых = Iк, Uвх = Uб-э, Uвых = Uк-э, в = Iвых / Iвх = Iк / Iб, Rвх.э = Uвх / Iвх = Uб-э / Iб.

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц.

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база-эмиттер Uб-э, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн или, что то же самое, между коллектором и эмиттером - Uк-э. Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Ек достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало (от 100 до 1000 Ом). Каскад по схеме с общим эмиттером при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинства схемы с общим эмиттером:

большой коэффициент усиления по току;

бульшее, 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 общим эмиттером применяется наиболее часто.

В схеме с общим коллектором коллектор (рисунок 3в) 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.е. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер Uб-э и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с общим эмиттером, коэффициент усиления по напряжению схемы с общим коллектором близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз (так же, как и в схеме с общим эмиттером), но весь каскад не даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам. Выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем и изображают схему так, как показано на рисунке 9.

Рисунок 9

Эмиттерным - потому, что резистор нагрузки включен в провод вывода эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме с общим коллектором составляет десятки КОм, что является важным достоинством схемы. Выходное сопротивление схемы с общим коллектором, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы КОм или сотни Ом. Эти достоинства схемы с общим коллектором побуждают использовать её для согласования различных устройств по входному сопротивлению. Недостатком схемы является то, что она не усиливает напряжение - коэффициент усиления меньше 1.

Независимо от схемы включения, транзистор характеризуется тремя коэффициентами усиления:

KI = Iвых / Iвх - по току;

KU = Uвых / Uвх = (Iвых*Rн) / (Iвх*Rвх) = KI*Rн / Rвх - по напряжению;

KP = Pвых / Pвх = (Uвых*Iвых) / (Uвх*Iвх) = KI•KU - по мощности.

Для схемы с общей базой:

KI = Iк / Iэ = б (б < 1);

KU = б*(Rн / Rвх);

Rн ? n*1кОм;

Rвх ? n*10 Щ;

KU ? n*100;

KP = KU / KI = n*100.

Для схемы с общим коллектором:

KI = Iэ / Iб = в + 1 = n;

KU = в*(Rн / Rвх) ? n;

KU < 1.

Для схемы с общим эмиттером:

KI = Iк / Iб = в = n (10ч100);

KU = в*(Rн / Rвх);

KP = KI*KU = n*(1000ч10000).

Транзистор, также как и любой электронный прибор, характеризуется предельными режимами работы, превышение которых приводит к нарушению нормальной работы прибора и выходу его из строя.

Рабочий диапазон температур. Нормальная работа транзистора возможна при определённой концентрации носителей заряда во всех его областях. Вместе с тем эта концентрация существенно зависит от температуры. Так например, с ростом температуры увеличивается количество ионизированных атомов основного вещества, концентрация неосновных носителей заряда приближается к концентрации основных и работоспособность транзистора ухудшается. Расчёт и экспериментальные исследования показывают, что максимальная рабочая температура германиевых транзисторов лежит в диапазоне 70 - 100о С, а для кремниевых он составляет 125 - 200о С. Минимальная температура теоретически может достигать - 200о С, а фактически ограничена термоустойчивостью корпуса и допустимыми изменениями параметров, и поэтому составляет - (60 - 70)о С.

Максимально допустимая непрерывно рассеиваемая мощность транзистора. При прохождении тока через транзистор происходит его нагрев. При этом, тепло главным образом выделяется в коллекторном переходе, обладающим наибольшим сопротивлением по сравнению с другими областями транзисторной структуры. Отвод тепла от коллекторного перехода происходит в результате теплопроводности материала, и мощность, рассеиваемая в окружающую среду, определяется соотношением: Рк = (Тп - Т0) / Rт,п-с, где Тп - температура коллекторного перехода, Т0 - температура окружающей среды, Rт,п-с - тепловое сопротивление, определяющее передачу тепла от коллекторного перехода в окружающую среду и зависящее от материала, из которого изготовлен транзистор и его конструкции. В справочниках всегда указываются величины Rт,п-с и Рк max, которую способен выделять транзистор при определённой температуре окружающей среды. Выделяемая в коллекторе мощность Рвыд = Uк-б*Iк не должна превышать максимальную мощность Рк max.Чтобы это требование выполнялось, на поле выходных характеристик проводят ограничительную линию: Iк.доп = Рк max / Uк-б.

Максимально допустимый ток коллектора. Этот ток ограничивается площадью эмиттера. Превышение этого тока приводит к постепенному разрушению конструкции транзистора. В справочниках указывают Iк max, который отображают на поле выходных характеристик транзистора.

Максимально допустимое напряжение на коллекторе. Это напряжение ограничивает возможность пробоя коллекторного перехода. Величина напряжения Uк max зависит от схемы включения и режима работы транзистора. Она указывается на поле выходных характеристик транзистора. Превышение этого параметра ведёт к пробою транзистора. В основном, в транзисторе возможны два типа пробоя: тепловой и лавинный. Тепловой пробой обусловлен нарушением теплового баланса, когда вследствие недостаточного теплоотвода отводимая от коллекторного перехода мощность оказывается меньше выделяемой в нём мощности Рвыд = Uк-б*Iк. В этом случае происходит рост тока, сопровождающийся уменьшением напряжения на переходе. Лавинный пробой возникает вследствие ударной ионизации и лавинного размножения носителей заряда в коллекторном переходе. Лавинное размножение характеризуется коэффициентом лавинного размножения - М. При лавинном размножении носителей заряда происходит увеличение коллекторного тока транзистора.

Вторичный пробой может возникнуть вследствие местного перегрева структуры при увеличении тока, обусловленного лавинным пробоем. В этом случае в локальной области нарушается тепловой баланс и возникает саморазогрев, приводящий к тепловому пробою, сопровождающемуся проплавлением транзисторной структуры.

У транзисторов с тонкой базой может возникнуть ещё и пробой смыкания: с повышением обратного напряжения на коллекторном переходе происходит его увеличение в область базы; при определённом напряжении, называемом напряжением смыкания, коллекторный переход заполняет всю область базы и смыкается с эмиттерным переходом.

1.2 Биполярный транзистор ГТ310А

1.2.1 Конструкция и применение

ГТ310А - германиевый диффузионно-сплавной транзистор с p-n-p - переходом, с нормированным коэффициентом шума. Биполярный, высокочастотный, малой мощности. Предназначен для работы в усилителях высокой частоты врадиовещательных малогабаритных приёмниках, телевизорах и т.п. Выпускается в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами. Температура окружающей среды от - 40 до +55о С. Масса - не более 0,2 г. Конструкция транзистора представлена на рисунке 10.



Рисунок 10

Ниже в таблице 6 приведены электрические параметры транзистора ГТ310А.

Таблица 6

В таблице 7 приведены предельные эксплуатационные данные.

Таблица 7

Максимально допустимая рассеиваемая мощность при температуре 308 - 328 оК (35 - 55оС) рассчитывается по формуле:

Рк max = (348 - Т) / 2

1.2.2 Характеристики транзистора ГТ310А

На рисунках 11а и 11б представлены соответственно входные и выходные вольт-амперные характеристики транзистора ГТ310А.

1.2.3 Аналоги транзистора ГТ310А

Аналогом для транзистора ГТ310А будет являться транзистор 2N964. Исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор: германий (Ge). Структура полупроводникового перехода: p-n-p. Производитель: MOTOROLA. Параметры транзистора представлены в таблице 8.

Таблица 8

Общий вид транзистора 2N964:

Рисунок 12

2. Расчётная часть

2.1 Исходные данные

Дан биполярный транзистор ГТ310А, включённый по схеме с общим эмиттером. Выходная цепь транзистора нагружена сопротивлением Rн = 1 кОм и питается от источника Э.Д.С. Еп = 8В. Необходимо:

построить нагрузочную прямую по постоянному току;

выбрать положение рабочей точки (точки покоя);

определить малосигнальные параметры транзистора в окрестностях точки покоя;

определить величины элементов эквивалентной схемы транзистора;

определить граничные и предельные частоты транзистора;

записать выражения для модулей |Y21(щ)| и |Y11(щ)|, построить графики этих зависимостей от частоты.

Рисунок 13

2.2 Построение нагрузочной линии по постоянному току

Различают два режима работы: режим покоя или режим по постоянному току и динамический режим или режим по переменному току. В режиме покоя входной сигнал отсутствует (источник входного сигнала закорочен), в цепях протекают постоянные токи.

В режиме покоя рабочая точка (точка покоя) во входной (базовой) цепи транзистора задается в соответствии с классом усиления на входной статической вольт-амперной характеристике (ВАХ). В классе усиления А рабочая точка должна находиться на середине линейного участка входной характеристики транзистора для усиления сигнала с минимальными искажениями. В этом случае при подаче входного переменного сигнала, например синусоиды, формируется ток базы, практически повторяющий по форме входное напряжение. Координаты рабочей точки на входной ВАХ - (Uб-э0, Iб0). Расчет параметров режима покоя для выходной (коллекторной) цепи производится на выходных статических вольт-амперных характеристиках при построении нагрузочной прямой (линии) по постоянному току. Выражение для выходной цепи, составленное по второму закону Кирхгофа является уравнением нагрузочной прямой по постоянному току:

Еп = Iк·Rн + Uк-э

Iк =

Нагрузочная прямая строится по двум точкам (рисунок 14).

Точка 1: Iк = 0, Uк-э = Еп = 8В.

Точка 2: Uк-э = 0, Iк = = 8·10-3 А.



Рисунок 14

2.3 Построение рабочей точки

Рабочая точка выбирается на середине нагрузочной прямой между режимами отсечки и усиления. Рабочая точка строится на ближайшей выходной характеристике. Так как в нашем случае рабочая точка попадает между Iб = 60 мкА и Iб = 80 мкА, то необходимо достроить выходную характеристику Iб = 67мкА и на ней отметить рабочую точку (рисунок 15). Выбранной точке соответствуют следующие параметры режима:



Рисунок 15

Iб0 = 67 мкА

Iк0 = 4,32 мА

Uк-э0 = 3,67 В

Ещё один параметр определяется по входной вольт-амперной характеристике (рисунок 16). Так как Uк-э0 = 3,67 В, то на входной характеристике выбираем ближайшее значение - Uк-э = 5В. В этом случае напряжение смещения Uб-э0 = 0,312 В.



Рисунок 16

2.4 Расчёт h-параметров транзистора

Входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока - параметр h11 (рисунок 17). Задаёмся приращением базового тока относительно рабочей точки: ДIб = 13 мкА = 26 мкА

Приращению базового тока соответствует приращение напряжения база-эмиттер, равное: ДUб-э = 14мВ

h11 = (при Uк-э = const), где ДUб-э = 14мВ, ДIб = 26 мкА. h11 = 540 Ом

Коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока - параметр h12. При приращении напряжения коллектор эмиттер на 5 В, приращение напряжения база-эмиттер составит 0,0896 В (рисунок 18).

h12 = (при Iб = const), где ДUб-э = 0,0896 В, ДUк-э = 5 В. h12 = 0,018

Рисунок 17

Рисунок 18

Коэффициент передачи транзистора по току при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока - параметр h21. На выходной ВАХ зададим приращение ДIб = 20 мкА, тогда приращение тока коллектора равно 1,47 мА (рисунок 19):

Рисунок 19

h21 = (при Uк-э = const), где ДIк = 1,47 мА, ДIб = 20 мкА. h21 = 73,5

Выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи) - параметр h22 (рисунок 20).



Рисунок 20

Приращение напряжения коллектор-эмиттер равно 2 В, тогда приращение тока коллектора - ДIк = 0,245 мА.

h22 = (при Iб = const), где ДIк = 0,245 мА, ДUк-э = 2 В. h22 = 12,25·10-5 См

2.5 Определение величины элементов эквивалентной схемы транзистора

Расчёт величины элементов эквивалентной схемы биполярного транзистора произведём по физической малосигнальной эквивалентной схеме (схема Джиаколето - рисунок 21).

Cк -ёмкость коллекторного перехода;

Сэ - ёмкость эмиттерного перехода.

Cк и Сэ находят по справочнику.

rэ - сопротивление эмиттерного перехода эмиттерному току;

rбэ - сопротивление эмиттерного перехода базовому току;

rкэ - выходное сопротивление транзистора;

rк - сопротивление коллекторного перехода;

S - крутизна характеристики транзистора.

Рисунок 21

По справочнику: Cк = 4 пФ; Сэ = 40 пФ.

rэ = ; Iэ0 = Iк0 - Iб0; Iэ0 = 4,253 мА; rэ = 5,88 Ом.

rбэ = rэ·h21э; rбэ = 432,18 Ом.

S = ; S = 0,136.

rкэ = ; rкэ = 8,16 кОм.

rк = ; rк = 24,01 кОм.

rб = , где ф - постоянная времени цепи обратной связи (справочный параметр); rб = 75 Ом.

2.6 Определение граничных и предельных частот транзистора

Предельная частота передачи тока по схеме с общим эмиттером - fh21э:

fh21э = ; fh21э = 9,2 МГц.

Граничная частота передачи тока транзистора - fгр:

fгр = |h21э|·fизм, где |h21э| - модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте; fизм - значение частоты, при котором проводились измерения данного параметра. Оба значения берутся из таблицы. | h21э| = 8; fизм = 20 МГц; fгр = 160 МГц.

Максимальная частота генерации транзистора - fген:

fген = ; fген = 145 МГц.

Предельная частота транзистора по крутизне - fs:

fs = ; fs = 530,5 МГц.

2.7 Частотные зависимости Y-параметров транзистора

Для определения частотных зависимостей модулей |Y21(щ)|, |Y11(щ)| воспользуемся следующими соотношениями:

|Y21(щ)| = ,

где |Y21(щ)| - проводимость прямой передачи, определяемая при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора.

|Y21(щ)| =

|Y11(щ)| = ,

где |Y11(щ)| - входная проводимость, определяемая при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора.

щh21э = 2·р·fh21э; щs = 2·р·fs,

где fh21э - предельная частота передачи тока биполярного транзистора, подключённого по схеме с общим эмиттером;

fs - предельная частота транзистора по крутизне.

щh21э = 5,78·107 рад/с, щs = 3,3·109 рад/с.

|Y11(щ)| =

Пусть щ = 10 щs = 33·109 рад/с. Для выбранной щ построим графики зависимостей |Y21(щ)| и |Y11(щ)| (смотри таблицу 9, рисунки 22, 23 соответственно):

Таблица 9



Рисунок 22

Рисунок 23

Заключение

ток транзистор биполярный

В ходе выполнения курсовой работы был рассмотрен и изучен биполярный транзистор ГТ310А. Используя учебную литературу, методические указания, справочные материалы были определены параметры и статические характеристики. В соответствии с условиями задания была проанализирована работа транзистора с нагрузкой в выходной цепи. Рассчитав параметры эквивалентной схемы и малосигнальные параметры транзистора, была установлена зависимость этих параметров от частоты, которая представлена в виде графиков.

Опираясь на данные полученные в ходе исследования при построении графиков и можно отметить, что при увеличении щ проводимость прямой передачи становится меньше, входная проводимость транзистора увеличивается до определённого значения, а при дальнейшем увеличении щ остаётся неизменной.

Список использованных источников

1.Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. Санкт-Петербург: Питер, 2003.

2.Хлебников Н.Н. Электронные приборы. Москва: "Связь", 1986 г.

3.Москатов Е.А. Электронная техника. Таганрог: "Радио", 2004 г.

4.Справочник "Транзисторы для аппаратуры широкого применения"/ Под ред. Б.Л. Перельмана. Москва: "Радиои связь", 1981 г.

5.Справочник "Полупроводниковые приборы: транзисторы". Издание второе./ Под ред. Н.Н.Горюнова. Москва: "Энергоатомиздат", 1985.

6.Родюков М.С., Коновалов Н.Н. "Электроника. Расчёт усилительного каскада с общим эмиттером". Методические указания. Москва: издательство МГУПИ, 2011 г.

7.Единая система конструкторской документации. Собрание ГОСТов.

Размещено на Allbest.ru

...