Определение электронных приборов. Классификация электронных приборов (стр. 2 )

25. Определение и устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда, и пригодный для усиления мощности электрических сигналов.

В зависимости от порядка чередования областей полупроводника, имеющих разную проводимость, различают транзисторы р-n-р - и n-р-n-типа (рис. 1,а, б). Принцип их работы одинаков, различие заключается только в полярности источников внешних напряжений и в направлении протекания токов через электроды.

а б

26. Классификация биполярных транзисторов.

По мощности, рассеиваемой коллекторным переходом, транзисторы бывают: малой мощности P < 0,3 Вт; средней мощности 0,3 Вт < P < 1,5 Вт; большой мощности P > 1,5 Вт.

По частотному диапазону транзисторы делятся на: низкочастотные  < 3 МГц; среднечастотные 3 МГц <  < 30 МГц; высокочастотные 30 МГц <  < 300 МГц; сверхвысокочастотные  > 300 МГц.

В настоящее время основным полупроводниковым материалом для транзисторов служит кремний. Германиевые транзисторы, ранее широко применявшиеся в схемах, вытесняются кремниевыми, имеющими лучшие параметры:

большую максимальную рабочую температуру, мощность, коэффициент передачи тока и граничную частоту. По конструктивным особенностям и технологии изготовления транзисторы делят на эпитаксиально-планарные, планарные, диффузионные, сплавные. Для большинства дискретных транзисторов характерна эпитаксиально-планарная структура.

27. Система обозначений транзисторов.

Для маркировки биполярных транзисторов используется буквенно-цифровая система условных обозначений согласно ОСТ 11.336.038-77. Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.

Первый элемент – буква или цифра, указывающая исходный материал: Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия.

Второй элемент – буква, указывающая на тип транзистора: Т – биполярный, П – полевой.

Третий элемент – цифра, указывающая на частотные свойства и мощность транзистора (табл. 1)

Таблица 1

Частота	Мощность
	малая	средняя	большая
Низкая	1	4	7
Средняя	2	5	8
Высокая	3	6	9

Четвертый, пятый, (шестой) элементы – цифры, указывающие порядковый номер разработки.

Шестой (седьмой) элемент – буква, указывающая на разновидность транзистора из данной группы. Примеры обозначения транзисторов: КТ315А; КТ806Б; ГТ108А; КТ3126.

28. Режимы работы биполярного транзистора.

Одну из крайних областей транзисторной структуры легируют сильнее, ее используют обычно в режиме инжекции и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю область – коллектором. Коллекторная область предназначена для экстракции носителей заряда из базовой области. Электронно-дырочный переход между эмиттерной и базовой областями называют эмиттерным, а между коллекторной и базовой – коллекторным.

Различают следующие режимы работы транзистора:

активный режим – напряжение на эмиттерном переходе прямое, на коллекторном обратное (запирающее);

режим отсечки – на обоих переходах обратное напряжение;

режим насыщения – на обоих переходах прямое напряжение;

инверсный режим – коллекторный переход смещен в прямом направлении, эмиттерный – в обратном.

29. Схемы включения биполярного транзистора.

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На рис. 2 показаны полярности внешних источников напряжения и направления токов транзистора, соответствующие активному режиму работы, для трех схем включения.

а б в

30. Принцип работы биполярного транзи стора.

Принцип работы биполярного транзистора наиболее удобно рассматривать в активном режиме для схемы с общей базой (рис. 3). При увеличении прямого смещения Uэб на эмиттерном переходе снижается его потенциальный барьер, что вызывает инжекцию дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Поскольку концентрация примеси в эмиттере много больше концентрации примеси в базе (концентрация основных носителей эмиттера много больше концентрации основных носителей базы), то инжекция дырок из эмиттера в базу доминирует над инжекцией электронов из базы в эмиттер. Через эмиттерный переход протекает ток инжекции, имеющий две составляющие: дырочную Iэp и электронную Iэn. Процесс инжекции характеризуется коэффициентом инжекции (эффективностью эмиттерного перехода) , показывающим, какую долю составляет от общего тока эмиттера ток инжектированных в базу носителей. В результате инжекции дырок из эмиттера в базу возрастает их концентрация вблизи эмиттерного перехода. Это приводит к диффузионному движению дырок через базу к коллекторному переходу. Поскольку ширина базы значительно меньше диффузионной длины дырок, то незначительная их часть рекомбинирует с собственными носителями базы – электронами, создавая рекомбинационную составляющую тока базы Iб рек. Процесс переноса неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса e = Iкp/Iэp, где Iкp – ток дырок, дошедших до коллекторного перехода в области базы. Дырки, подошедшие к обратносмещенному коллекторному переходу, попадают в ускоряющее поле Uкб и экстрагируют в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектора Iк упр. Экстракция дырок может сопровождаться ударной ионизацией атомов полупроводника и лавинным умножением носителей заряда в коллекторном переходе. Этот процесс оценивается коэффициентом лавинного умножения М = Iк упр/Iкp. В лавинных транзисторах M > 1.

31.Токи в биполярном транзисторе.

Ток коллектора, вызванный инжекцией основных носителей через эмиттерный переход, называют управляемым током коллектора Iк упр = geMIэ, где geM = h21Б < 1 называют статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Часто h21б обозначают как a. Значения h21Б лежат в диапазоне 0,95¼0,999.

Кроме управляемого тока коллектора Iк упр через коллекторный переход протекает обратный неуправляемый ток Iкб0, обусловленный экстракцией собственных неосновных носителей базы (дырок) и коллектора (электронов):

Iк = h21БIэ + Iкб0. (1)

Обратный ток коллекторного перехода Iкб0 совпадает по направлению с управляемым током коллектора Iк упр, а в цепи базы Iкб0 противоположен току рекомбинации Iб = Iб рек – Iкб0. Величина Iкб0 для германиевых транзисторов составляет десятки миллиампер, а кремниевых транзисторов – сотни наноампер, причем сильно зависит от температуры,

Из принципа работы видно, что Iэ разветвляется на ток базы Iб и коллекторный ток Iк

Iэ = Iб + Iк. (2)

Это выражение называют внутренним уравнением транзистора.

Связь между выходным током Iк и входным током Iб транзистора, включенного по схеме с ОЭ, можно получить из (1) и (2):

,

где  – статический коэффициент передачи тока базы (другое обозначение b);  – начальный (сквозной) ток транзистора. Коэффициент h21Э принимает значения десятки¼сотни. Поэтому транзистор, включенный по схеме с ОЭ, является хорошим усилителем тока.

32. Формальная модель транзистора.

Когда транзистор работает в линейном режиме, удобно пользоваться не характеристиками, а параметрами. В режиме малых сигналов транзистор можно рассматривать как активный линейный четырехполюсник (рис. 3.9). Активным четырехполюсником называют электрическую цепь, состоящую из пассивных элементов (L, R, C) и эквивалентного генератора ЭДС или тока, к входным зажимам которого подключается источник сигнала, а к выходным –нагрузка.

33.Системы параметров транзистора.

Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I1 и I2 и два значения напряжения U1 и U2 (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Схема четырехполюсника

В зависимости от того, какие из этих параметров выбраны в качестве входных, а какие в качестве выходных, можно построить три системы формальных параметров транзистора как четырехполюсника. Это системы z-параметров, y-параметров и h-параметров

Система z-параметров

- определяются как входное и выходное сопротивления.

- сопротивления обратной и прямой передач.

Измерения z-параметров осуществляются в режиме холостого хода на входе (I1 = 0) и выходе (I2 = 0).

Система y-параметров

- входная и выходная проводимости.

- проводимости обратной и прямой передач.

Измерение y-параметров происходит в режиме короткого замыкания на входе (U1 = 0) и выходе (U2 = 0).

Система h-параметров

Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U2 = 0) и режим холостого хода на входе (I1 = 0).

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

- выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

- коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

34. Статические характеристики биполярных транзисторов схеме с ОБ

35. Влияние температуры на ВАХ транзистора

36. Дифференциальные параметры транзистора.

Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U2 = 0) и режим холостого хода на входе (I1 = 0).

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

- выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

- коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Эквивалентная схема четырехполюсника с h-параметрами приведена на рисунке 5.24а, б. Из этой схемы легко увидеть, что режим короткого замыкания на выходе или холостого хода на входе позволяет измерить тот или иной h-параметр.

Рис. 5.24. Эквивалентная схема четырехполюсника:
а) биполярный транзистор в схеме с общей базой; б) биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

37. Определение h-параметров транзистора по статическим ВАХ.

Статические характеристики позволяют определить основные параметры транзистора. Для описания свойств транзистора по переменному току чаще всего используется система h-параметров, которая представляется следующими уравнениями:

dU1 = h11dI1 + h12dU2;

dI2 = h21dI1 + h22dU2.

При нахождении h-параметров по статическим характеристикам дифференциалы заменяются конечными приращениями, тогда:

– входное сопротивление;

– коэффициент обратной связи по напряжению;

– коэффициент передачи по току;

– выходная проводимость.

Для определения h-параметров воспользуемся семействами входных и выходных характеристик для схемы с ОЭ (рис. 5,а, рис. 5,б). В заданной точке А на линейном участке семейства входных характеристик строим треугольник, проведя прямые параллельно оси абсцисс и ординат до пересечения со следующей характеристикой. Приращения токов и напряжений позволяют определить параметры h11э и h12э:

,

.

Параметры h21э, h22э определяются по выходным характеристикам. Обратите внимание на различие в обозначении статического коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ h21Э и дифференциального параметра h21э. Через точку А', режим которой соответствует точке А, проводим вертикальную прямую до пересечения с соседней характеристикой. Задавая приращения напряжения Uкэ, находим:

,

.

38. Большой Сигнал Модель Эберса-Молла

При необходимости анализа работы транзистора в режиме большого сигнала, когда имеют значение его нелинейные свойства, находит применение эквивалентная схема, предложенная Эберсом и Моллом. Она состоит из двух диодов, включенных встречно, и двух источников тока, отображающих взаимодействие этих диодов (рис. 3.6).

Модель Эберса – Молла описывает поведение транзистора в различных режимах работы, что может быть учтено выбором соответствующей полярности напряжений на переходах транзистора.

39.Малосигнальная модель БТ

Одной из физических малосигнальных моделей является модель, основой которой является модель Эберса-Молла с двумя источниками тока. На рис. 3.13 показана такая модель, включающая в себя объемные сопротивления полупроводников в областях эмиттера, базы, коллектора rЭ1 , rБ1 , rК1 , а также дифференциальные сопротивления и емкости переходов rЭ , rК, СЭ, СК.

Поскольку наибольшее объемное сопротивление полупроводника имеет база, и эмиттерный переход открыт, то можно использовать более простую Т-образную физическую модель транзистора с ОБ (рис.3.14,а). Для транзистора с ОЭ аналогичная модель представлена на рис. 3.14,б.

дифференциальное сопротивление и емкость пересчитываются по формулам:

40. Физические параметры транзистора.

К физическим параметрам помимо рассмотренных коэффициентов передачи тока относят дифференциальные сопротивления переходов, объемные сопротивления областей транзистора, емкости переходов и др.

Эти параметры характеризуют основные физические процессы в транзисторе. В активном режиме ВАХ эмиттерного перехода описывается выражении:

С ростом тока базы сопротивление r к уменьшается.

Сопротивление базы rб определяется размерами структуры и распределением концентраций примесей в активной и пассивной областях базы. Оно равно сумме распределенного сопротивления базы rб ’ и диффузионного сопротивления rб”: rб= rб’+ rб”. Распределенное сопротивление базы rб отражает сопротивление активной области базы. Как показывают расчеты, величина его может определяться соотношением

Аналогично отдельному p-n-переходу эмиттерный и коллекторный переходы транзистора характеризуются барьерными и диффузионными емкостями.

Емкость коллектора Ск гораздо меньше емкости прямосмещенного эмиттерного перехода Сэ. Однако емкость Ск шунтирует большое сопротивление коллектора r k и с ростом частоты оказывает существенное влияние на работу транзистора. В справочниках приводится емкость Ск, измеренная между коллекторным и базовым выводами на заданной частоте при отключенном эмиттере и обратном напряжении на коллекторе.

41. Эквивалентные схемы замещения транзистора.

Эффект передачи переменного тока эмиттера Iэ в цепь коллектора на эквивалентной схеме отражается эквивалентным генератором тока αIэ, где α - коэффициент передачи тока эмиттера.

Условная полярность генератора тока на схеме определяется принятым положительным направлением переменного тока эмиттера (в p-n-p-транзисторе от точки Э к точке Б*). В транзисторах n-p-n полярность генератора выбирается обратной. Это обусловлено физикой работы транзистора. Поэтому направление тока эмиттера однозначно задает направление всех остальных токов. Внутреннее сопротивление генератора тока αIэ для выходного тока коллектора Iк представляет бесконечность.

Эквивалентные схемы транзисторов на высоких частотах

42. Работа биполярного транзистора в режиме усиления.

43. Частотные свойства транзистора.

С ростом частоты усилительные свойства

транзистора ухудшаются. Это означает, что уменьшается усиление, появляется фазовый сдвиг, т. е. запаздывание выходного тока по отношению к входному.

Существенное влияние на диапазон рабочих частот оказывают следующие параметры:

– время пролёта неосновных неравновесных носителей области базы от эмиттерного перехода до коллекторного;

– емкости эмиттерного Сэ и коллекторного Ск переходов;

– объёмное сопротивление базы, определяемое её геометрическими размерами.

Предельная частота транзистора в схемах с ОБ и ОЭ может быть рассчитана по следующим зависимостям:

Кроме предельных частот f α и f β для оценки частотных свойств используется граничная частота коэффициента передачи тока

базы T f. Граничная частота – это частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы в схеме с ОЭ равен единице. Она может быть выражена через предельные частоты f α и f β :

Известно, что качество транзистора характеризуется его способностью усиливать мощность колебаний. С ростом частоты коэффициент усиления по мощности падает. Поэтому важнейшим частотным параметром является максимальная частота генерации, или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

44. Работа транзистора в импульсном режиме

В ряде областей техники, например, в радиолокации, телевидении, ЭВМ и других применяют устройства на транзисторах, работающих в импульсном режиме. Их действие значительно отличается от работы схем в непрерывном режиме. Во-первых, в них происходят резкие и кратковременные изменения напряжения или тока, а транзистор работает в нелинейных областях характеристик. Имея малое сопротивление во включенном состоянии и большое сопротивление в выключенном, транзистор достаточно полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ключевым элементам.

Транзистор в качестве ключа можно рассмотреть на примере включения в схему с ОЭ. Когда нет импульса на входе, транзистор находится в режиме отсечки. В цепях коллектора и базы проходят обратные токи. При подаче во входную цепь импульса прямого тока транзистор открывается и в цепи коллектора возникает ток. Импульс выходного тока i к появляется с задержкой tз, которая определяется в основном скоростью нарастания напряжения эмиттерного перехода, зависящей от емкости перехода и прямого тока базы, т. е. скоростью разряда эмиттерного перехода. Коллекторный ток постепенно нарастает, достигая установившегося значения за время tн, определяемого скоростью накопления неравновесного заряда в базе и скоростью разряда ёмкости коллектора. Полное время включения транзистора состоит из времени задержки и нарастания: и может составлять величину от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд. При подаче в цепь базы запирающего тока коллекторный ток прекращается не сразу. На протяжении времени рассасывания tр он сохраняет свою величину, т. к. концентрация носителей заряда в базе и у коллекторного перехода ещё остаётся равновесной и коллекторный переход оказывается открытым. После ухода дырок из базы и рекомбинации ток коллектора начинает спадать, достигая за время спада t с становившегося значения I к. эu. Время выключения транзистора будет определяться временем рассасывания и спада .

45. Основные параметры

Для анализа и расчета цепей с биполярными транзисторами используют так называемые h – параметры транзистора, включенного по схеме ОЭ.

Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме ОЭ, характеризуется величинами IБ, IБЭ, IК, UКЭ.

В систему h − параметров входят следующие величины:

1. Входное сопротивление

h11 = DU1/DI1 при U2 = const. (4.4)

представляет собой сопротивление транзистора переменному входному току при котором замыкание на выходе, т. е. при отсутствии выходного переменного напряжения.

2. Коэффициент обратной связи по напряжению:

h12 = DU1/DU2 при I1 = const. (4.5)

показывает, какая доля входного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие обратной связи в нем.

3. Коэффициент усилия по току (коэффициент передачи тока):

h21 = DI2/DI1 при U2 = const. (4.6)

показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки.

4. Выходная проводимость:

h22 = DI2/DU2 при I1 = const. (4.7)

представляет собой проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора.

Выходное сопротивление Rвых = 1/h22.

Для схемы с общим эмиттером справедливы следующие уравнения:

(4.8)

где

Для предотвращения перегрева коллекторного перехода необходимо, чтобы мощность, выделяемая в нем при прохождении коллекторного тока, не превышала некоторой максимальной величины:

(4.9)

Кроме того, существуют ограничения по коллекторному напряжению:

и коллекторному току:

46. Область применения

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

47 Определение и классификация полевых транзисторов.

Полевыми (униполярными) транзисторами называются полупроводниковые приборы, в которых электрический ток создается основными носителями заряда под действием продольного электрического поля, а модуляция тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым на управляющем электроде.

Область полупроводника, по которой проходит управляемый ток, называется каналом. Электрод, из которого носители заряда входят в канал, называется истоком, а электрод, через который они уходят из канала, называется стоком. Электрод, используемый для управления величиной поперечного сечения канала, называется затвором. Затвор должен быть электрически изолирован от канала. В зависимости от способа изоляции различают:

·  транзисторы с управляющим p-n-переходом;

·  транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы).

o  С индивидуальным каналом

o  Со встроенным каналом

48. Устройство и обозначение полевых транзисторов.

Тип полевого транзистора	Тип канала	Тип подложки	Условное обозначение и полярности внешних напряжений	Режим работы
Транзистор с управляющим p-n-переходом	n	p		–
	p	n		–
МДП-транзистор с индуцирован-ным каналом	n	p		Обогащение
	p	n		Обогащение
МДП-транзистор со встроенным каналом	n	p		Обогащение (обеднение)
	p	n		Обогащение (обеднение)

49. Полевой транзистор с управляющим p-n переходом.