Будова транзистора

Біполярний транзистор має три шари напівпровідника (p-n-p або n-p-n) і, відповідно, два p-n – переходи. Кожен шар напівпровідника через невипрямляючий контакт метал-напівпровідник приєднано до зовнішнього виводу.

Середній шар і відповідний вивід називають базою, один з крайніх шарів і відповідний вивід називають емітером, а другий крайній шар і відповідний вивід – колектором.

Схематичне, спрощене зображення структури транзистора типу n-p-n показано на рисунку 5.1,а. Транзистор типу p-n-p побудовано аналогічно, спрощена структура його показана на рисунок 5.1,в.

Рис. 5.1 Транзистор: а) схематичне зображення структури транзистора n-p-n – типу; б) припустимі варіанти умовного графічного зображення транзистора n-p-n – типу; в) схематичне зображення структури транзистора p-n-p – типу; г) припустимі варіанти умовного графічного зображення транзистора p-n-p – типу

Транзистор називають біполярним, тому що в процесі проходження електричного струму приймають участь носії заряду двох знаків – електрони і дірки. Але в різних типах транзисторів роль електронів і дірок різна.

Транзистори типу n-p-n більш розповсюджені порівняно з транзисторами типу p-n-p, тому що зазвичай мають кращі характеристики. Це пояснюється більшою рухливістю електронів (основних носіїв заряду транзисторів n-p-n – типу), ніж дірок (основних носіїв заряду транзисторів p-n-p – типу).

Важливо відмітити, що реальна площа колекторного переходу суттєво більша площі емітерного переходу. Така несиметрія покращує властивості транзистора.

5.1.2. Моделювання біполярних транзисторів.

В програмі Multisim транзистори представлено в каталозі Transistors бібліотеки компонентів.

Рис. 5.2 Верхня частина каталогу бібліотеки

Transistors програми Multisim

Цей каталог можна умовно поділити на частину, яка містить різні типи біполярних транзисторів (рис. 5.2), і частину з польовими транзисторами. В цій лабораторній роботі розглядається тільки перша частина. До її складу входять моделі існуючих біполярних транзисторів обох типів, моделі віртуальних біполярних транзисторів обох типів з найбільш загальними параметрами, віртуальні чотирьох вивідні транзистори двох типів, пари Дарлінгтона на транзисторах різних типів та транзисторні збірки.

Після натискання кнопки BJT_NPN або BJT_PNP з’явиться діалогове вікно вибору конкретного транзистора (рис. 5.3).

Рис. 5.3 Діалогове вікно вибору моделі транзистора

Для побудови підсилювачів на біполярних транзисторах (БТ) розрізняють три основних схеми включення БТ: з загальною базою (ЗБ), з загальним емітером (ЗЕ) та з загальним колектором (ЗК). Схеми для дослідження транзисторів у статичному режимі для цих включень та відповідні еквівалентні схеми транзисторів при їх роботі в активному режимі наведені на рисунках 5.4-5.6.

Рис. 5.4 Схема включення БТ з загальною базою

Рис. 5.5 Схема включення БТ із загальним емітером ЗЕ

Рис. 5.6 Схема включення БТ з загальним колектором

5.1.3. Режими біполярних транзисторів (БТ).

Біполярні транзистори містять два взаємодіючих електронно-діркових переходи. Залежно від їхнього стану розрізняють чотири режими: активний (лінійне посилення сигналів), відсічення, насичення й інверсний.

В активному режимі на емітерний перехід для забезпечення інжекції носіїв заряду в базу подається пряма напруга U_бе, а на колекторний перехід, що здійснює екстракцію носіїв заряду - зворотна напруга U_кб. Таким чином емітерний перехід знаходиться у відкритому стані, а колекторний у закритому.

Транзистор є керованим приладом, його колекторний струм залежить від струму бази та емітера.

Ступінь впливу вхідного ланцюгатранзистора (емітерного - у схемі з загальною базою (ЗБ) і базового - у схемі з загальним емітером (ЗЕ)) оцінюють за допомогою статичних параметрів: коефіцієнта передачі струму емітера або і коефіцієнта передачі струму бази . Керована складового струму колектора в схемі з загальною базою (рисунок 5.4) дорівнює:

(5.1)

А в схемі з загальним емітером (рисунок 5.5)

(5.2)

Як випливає із рисунків 5.4-5.6:

(5.3)

Враховуючи вище наведені рівняння можна записати:

або (5.4)

Рівняння (5.1-5.4) є основними рівняннями, що описують роботу біполярного транзистора у активному режимі, в якому БТ розглядається як лінійний прилад. Величини коефіцієнтів для реальних БТ становлять: , а наближується до 1, але завжди .

У режимі насичення відкриті обидва переходи. Колекторний перехід уже не здійснює повної екстракції носіїв з бази, що приводить до їх накопичення в базі й інтенсивній рекомбінації. У режимі насичення струм бази може виявитися порівнянним зіструмом емітера. Транзистор повністю відкритий й проявляє себе як нелінійний елемент.

У режимі відсічення обидва переходи закриті. Через них проходять струми, обумовлені процесами теплової генерації носіїв заряду в обсязі напівпровідника, областях об'ємного заряду і на контактах, що не випрямляють, а також витоками. Вважається, що транзистор закритий й працює у нелінійному режимі.

В інверсному режимі емітерний перехід закритий, а колекторний – відкритий. Струм колектора визначається значенням прямої напруги U _кб. Цей режим аналогічний до активного, але характеризується значно гіршими властивостями до підсилювання. Використовується рідко.

5.1.4. Статичні характеристики.

Як основні характеристики БТ використовують: вхідні (зв'язують струм і напругу на вході); вихідні (зв'язують струм і напругу на виході); характеристики передачі (зв'язують струми або напруги на виході зі струмами або напругами на вході); характеристики зворотного зв'язку (зв'язують напруги або струми на вході зі струмами або напругами на виході).

Для схеми з ЗЕ вхідні характеристики визначаються залежністю при (рис. 5.7,а). У кремнієвих транзисторів вони зміщені від нуля у бік прямих напруг. Як і в кремнієвих діодах, зсув дорівнює 0,6...0,7В.

Рис. 5.7. Статичні характеристики біполярного транзистора в схемі з ЗЕ:

а) вхідні; б) вихідні

При збільшенні зворотної напруги на колекторі струм бази зменшується, характеристики зміщаються правіше. Це пояснюється тим, що напруга на колекторі впливає на концентрацію носіїв біля нього і змінює товщину бази внаслідок зміни товщини колекторного переходу (розширення збідненої зони). Це так званий ефект модуляції товщини бази. Зменшення товщини бази призводить до зменшення імовірності рекомбінації носіїв заряду в базі, а отже і до зменшення струму бази Вихідні характеристики для схеми з ЗЕ визначаються залежністю при (рисунок 5.7,б).

Якщо струм бази дорівнює нулеві, то ця залежність являє собою характеристику електронно-діркового переходу при зворотному зсуві.

Статичні характеристики дають повну інформацію про транзистори, що є активними елементами радіоелектронних ланцюгів.

У режимі великих сигналів вони є основою графоаналітичного методу аналізу і розрахунку транзисторних ланцюгів. У режимі малих сигналів транзистор може розглядатися як лінійний елемент. По характеристиках транзистора визначають малосигнальні диференціальні параметри.

5.1.5. Диференційні параметри транзисторів.

Величини, що зв'язують малі збільшення струмів і напруг, називають диференціальними параметрами транзистора.

У разі уявлення транзистора лінійним чотириполюсником (наприклад, для БТ у схемі із загальною базою, рис. 5.8) найбільше практичне застосування знаходять три системи параметрів: h, y, z- параметрів.

Рис. 5.8 Чотирьохполюсне включення БТ із загальною базою

Під час використання h- параметрів як незалежні перемінні вибирають вхідний струм I₁ і вихідну напругу U₂.

Рівняння мають вигляд:

(5.5)

(5.6)

Звідси випливає фізичний зміст і найменування h -параметрів: - вхідний опір транзистора при короткому замиканні на виході для змінної складової струму, тобто .

Виходячи із рис. 5.4 для схеми включення ЗБ:

Для схеми включення ЗЕ (рис. 5.5)

Для схеми включення ЗК (рис. 5.6)

- коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі при розімкнутому вході для змінної складової струму;

- диференціальний коефіцієнт передачі струму при короткому замиканні на вході для змінної складової струму. Для схеми включення БТ з загальною базою , адля включення із загальним емітером (ЗЕ) .

вихідна провідність транзистора при розімкнутому вході для змінної складової струму, .

Низькочастотні значення параметрів транзистора залежать від схеми включення і визначаються за статичними характеристиками.