Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Занятие 46
Полупроводниковые приборы (12)
Цель:
Тема: Биполярные транзисторы.
Транзисторы — полупроводниковые приборы с двумя или более р-п- переходами, позволяющие усиливать электрические сигналы и имеющие три вывода и более.
Их подразделяют на две большие группы: биполярные и униполярные( полевые).
В последнее время широко распространена еще одна группа биполярных транзисторов с изолированным затвором — IGBT(Insulated — Gate Bipolar Transistor) — это так называемый гибрид, сочетающий в себе дна транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления).
Конструкционный вид некоторых полупроводниковых транзисторе показан на рис. 7.27.
Рис. 7.27. Конструкционный вид некоторых полупроводниковых транзисторов
Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя р-n -переходами и тремя выводами, обеспечивающий усиление мощности электрических сигналов.
Основой биполярного транзистора (в дальнейшем будем называть его просто транзистором) является кристалл полупроводника, в котором создано два р-n -перехода. В зависимости от чередования слоев с разным типом электропроводности различают два вида транзисторов: р- n- р и n- р- n. На рис. 12.12 приведены соответственно их структурные схемы (а, б) и условные обозначения (в, е).
Средний слой кристалла называют базой. Ее толщина составляет всего несколько микрометров, и концентрация примесей здесь значительно меньше, чем в соседних слоях. Крайние слои называют эмиттером и коллектором. Все три слоя имеют выводы. Для защиты от внешних воздействий кристалл герметично закрывается металлическим или пластмассовым корпусом.
Для нормальной работы между выводами транзистора должны быть включены источники питания. Их можно включить таким образом, чтобы оба перехода оказались под обратным напряжением. Этот режим работы транзистора называют отсечкой. Все токи транзистора практически равны нулю и между электродами существует как бы разрыв цепи. Если изменить полярность источников, то оба перехода окажутся под прямым напряжением. Сопротивление переходов в этом случае мало, и транзистор можно рассматривать как узел электрической цепи. Такой режим его работы называют насыщением. Транзистор работает в активном режиме, когда эмиттерный переход находится под прямым напряжением (открыт), а коллекторный— под обратным напряжением (закрыт).
На рис. 12.13 показана схема включения транзистора р — п — р при работе в активном режиме. Пусть вывод эмиттера разомкнут. Тогда через коллекторный переход будет протекать малый ток Iко закрытого перехода, обусловленный концентрацией неосновных носителей в базе и коллекторе. Как и обратный ток через диод, он практически не зависит от Ек.
Теперь включим эмиттерный источник Еэ. Эмиттерный переход открыт, и через него начнут проходить основные носители — дырки из эмиттера в базу, а электроны — из базы в эмиттер. Потечет ток эмиттера Iэ. Так как концентрация примесей в базе значительно меньше, чем в эмиттере, то Iэ обусловлен в основном перемещением дырок.
Попав в область базы, дырки будут перемещаться под действием диффузии от эмиттерного перехода к коллекторному, поскольку концентрация их у эмиттерного перехода выше, чем у коллекторного.
Источник питания Ек включен так, что область коллектора отрицательна по отношению к базе. Дырки — это положительные носители заряда. Поэтому они пройдут через коллекторный переход в коллектор и тем самым увеличат ток коллектора на некоторую величину I'к. Чем больше Iэ, тем больше дырок проходит из эмиттера в базу и тем больше их подойдет к коллекторному переходу. Поэтому можно считать, что I'к = α Iэ, где α — коэффициент передачи тока эмиттера. Часть дырок успевает рекомбинировать в базе, и α <1. В современных транзисторах база очень тонкая и рекомбинация невелика, поэтому α = 0,99 и больше.
Полный ток коллектора
Iк = I'к. + Iко. = α Iэ + Iко . (12.1)
Рекомбинация дырок в базе уменьшает концентрацию электронов и повышает потенциал базы. Источник Еэ восполняет убыль электронов и создает дополнительную составляющую тока базы I'Б
Полный ток базы
Iб = I'Б — Iко (12.2)
По первому закону Кирхгофа, для транзистора можно записать следующее уравнение токов:
Iэ = Iк + Iб (12.3)
Откуда, используя (12.1) и 12.2),
Iб = Iэ - Iк = (1- α) Iэ - Iко (12.4)
Если пренебречь относительно малым током Iко, то уравнения (12.1) и (12.4) можно упростить:
Iк = α Iэ; Iб = (1— α) Iэ
Ясно, что Iк Iэ и Iб < < Iк
Три схемы позволяют получить усиление мощности электрического сигнала. Если источник сигнала включить в эмиттерную цепь, а нагрузку в цепь коллектора (см. рис. 12.13), то получим схему включения транзистора с общей базой (ОБ). База является общим электродом для входной и выходной (источника сигнала и нагрузки) цепей. Эта схема включения обеспечивает усиление сигнала по напряжению и мощности, но ток в нагрузке будет меньше, чем входной ток источника сигнала.
На рис. 12.14 показаны еще две схемы включения транзистора: а — с общим эмиттером (ОЭ) и б — с общим коллектором (ОК).
В схеме ОЭ входной ток — это ток базы Iб, а выходной ток — ток коллектора Iк. Отношение этих токов называют коэффициентом передачи тока базы β. Так как α = 0,99 и больше, то β>>1. Схема ОЭ обеспечивает усиление тока и напряжения сигнала и максимальное усиление мощности. Она чаще всего применяется в электронных устройствах.
Характеристики транзистора зависят от схемы его включения. Чаще всего используются два семейства характеристик: входные (рис. 12.15, а) и выходные (рис. 12.15, б). Они приведены для транзистора КТ315, включенного по схеме ОЭ.
Выходные характеристики транзистора — это зависимости Iк = f(UКЭ) при Iб = const. При Iб = 0 Iк = Iко.
Этот ток протекает через эмиттер и коллектор и мало зависит от напряжения UКЭ. При увеличении тока базы ток коллектора увеличивается в соответствии с уравнением.
Iк= β Iб + Iко
Каждому значению Iб соответствует своя характеристика. Характеристики смещены относительно начала координат, так как
UКБ = UКЭ — UБЭ,
и при UКЭ < UБЭ коллекторный переход оказывается под прямым напряжением, т. е. открытым. Этой области характеристик соответствует режим насыщения (область А на рис. 12.15, б). Режиму отсечки соответствует область В, а активному режиму — область С.
Зависимости Iб = f(UБЭ) при UКЭ — const называют входными характеристиками.
При нагреве транзистора во всех его областях увеличивается концентрация неосновных носителей. Это ведет к увеличению обратного тока через р –n -переходы, и все характеристики смещаются в область больших токов. Поэтому в практических схемах приходится предусматривать особые мероприятия для термостабилизации работы транзистора.
Биполярные транзисторы делятся на группы в зависимости от частоты сигнала и мощности, которую транзистор может рассеять. Для выбора типа транзистора в конкретных схемах применяются основные параметры, которые приводятся в справочниках. Напряжение UКЭ транзистора при его работе не должно превышать предельно допустимое UКЭmах, иначе коллекторный переход транзистора может быть пробит и транзистор выйдет из строя. Во избежание перегрева мощность, которая выделяется в транзисторе, не должна превышать предельно допустимую Рк max.
Для увеличения предельно допустимой мощности транзисторы устанавливают на радиаторах, увеличивающих отвод тепла. Например, у транзистора ГТ705 без теплоотвода допустимая мощность составляет 1,6 Вт, а при использовании радиатора — 15 Вт.