Теоретичні відомості до лабораторної роботи. Транзистор - це напівпровідниковий прилад з одним або декількома pn-переходами, який може бути використаний для підсилення потужності електричних сигналів

Транзистор - це напівпровідниковий прилад з одним або декількома pn -переходами, який може бути використаний для підсилення потужності електричних сигналів.

Існують різні типи транзисторів. Найбільше застосування знаходить біполярний транзистор.

Основа біполярного транзистора - кристал германію або кремнію, у якому створені три зони з різними типами провідності. Крайні області називаються емітером і колектором. Вони завжди мають однаковий тип провідності. Середня область називається базою і має протилежний тип провідності. Між областями формуються 2 pn -переходи: емітерний між базовою та емітерною областю, та колекторний – між базовою та колекторною областями.

Біполярні транзистори бувають і типів (рис.2.2). Фізичні процеси, що відбуваються в них, аналогічні.

Рис.2.2. Структура та схематичне позначення біполярних транзисторів p-n-p та n-p-n типів

При виготовленні біполярного транзистора необхідно виконати дві умови:

1. Область бази повинна бути дуже тонкої (від одиниць до десятків мікрометрів).

2. Концентрація основних носіїв в емітері повинна бути на кілька порядків більше концентрації основних носіїв у базі .

Розглянемо принцип дії біполярного транзистора на прикладі транзистора типу (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Вмикання в коло транзистора p-n-p типу (активний режим роботи) та діода схема заміщення

Для роботи транзистора необхідно подати на його виводи відповідні потенціали, наприклад, за допомогою двох джерел напруги і , як це показано на рис. 2.3.

Джерело підключається до емітерного переходу в прямому напрямку (емітерний перехід відкритий), джерело – до колекторного переходу в зворотному напрямку (колекторний перехід закритий).

Оскільки емітерний перехід відкритий, опір його малий і через нього протікає струм, обумовлений переходом дірок з емітера в базу і електронів з бази в емітер. Оскільки виконується друга умова і концентрація носіїв в емітері більша, ніж в базі, можна вважати, що практично весь струм емітерного переходу (струм емітера транзистора ) утвориться за рахунок дірок, що перейшли з емітера в базу. Дірки, що потрапили з емітера в базу, внаслідок різниці концентрацій, починають дифундувати через область бази у бік колектора. Для області бази дірки є неосновними носіями заряду. Зустрічаючись в базі з електронами, вони рекомбінують з ними. Для того, щоб електрон зустрівся з діркою і рекомбінував з нею, необхідний певний час. Оскільки база виконується дуже тонкою згідно умови 1, більшість дірок встигає пройти її, не встигнувши рекомбінувати. Однак невелика частина дірок все-таки встигає рекомбінувати у базі з електронами, і замість рекомбінувавших електронів в базу надходять нові електрони із зовнішнього кола. Ці електрони створюють струм бази транзистора .

Велика частина дірок, що вийшла з емітера, встигає дійти до колекторного переходу. Тут вони підхоплюються його полем (див л.р. №1, рис. 1.2) і переходять в область колектора. Для їхньої підтримання незмінною концентрації носіїв в області колектора, від джерела у колектор надходять електрони, що утворюють струм колектора .

Виходячи з викладеного, можна зробити висновок, що для транзистора виконується 1-й закон Кірхгофа: . Впливаючи на кожний з цих струмів, тим самим впливають і на два інші струми. Звичайно впливають на струм бази , який у транзисторі має мінімальне значення. При цьому пропорційно змінюються струми та , які є значно більшими. Таким чином, транзистор забезпечує підсилення струму. Кажуть, що біполярний транзистор є приладом, який керується струмом.

Взаємозв'язок між струмами транзистора часто виражається через наступні коефіцієнти:

1) коефіцієнт передачі струму емітера – розраховується в схемі зі спільною базою.

2) коефіцієнт передачі струму бази – розраховується в схемі зі спільним емітером.

Використовуючи наведені коефіцієнти, можна записати .

Однак більш точним буде вираз , де - тепловий (зворотний) струм колекторного переходу, обумовлений переходом неосновних носіїв з бази в колектор та з колектора в базу. Оскільки концентрація неосновних носіїв значно менше, ніж основних, струм при кімнатній температурі дуже малий. Однак при підвищенні температури він швидко зростає (збільшується майже в 2 рази на кожні 10°С). Оскільки цей струм некерований (не залежить від струму емітера), при підвищених температурах він порушує нормальну роботу транзисторних схем.

При використанні транзистора в електронних схемах на його вхід подається сигнал, який необхідно підсилити, а з виходу знімається підсилений сигнал. Для подачі вхідного сигналу необхідно два електроди. Для зняття підсиленого сигналу також необхідно два електроди. Оскільки в транзистора тільки три електроди, один з них завжди є спільним для вхідного і вихідного сигналів. Залежно від того, який електрод є спільним, розрізняють три схеми вмикання транзистора:

1) схема зі спільною базою (СБ);

2) схема зі спільним колектором (СК);

3) схема зі спільним емітером (СЕ).

Найбільш широке застосування знаходить схема СЕ, оскільки вона підсилює і струм, і напругу, а отже забезпечує найбільше підсилення сигналу за потужністю.

Оскільки біполярний транзистор має три зовнішні електроди, для нього можна зняти кілька вольт-амперних характеристик. Вольт-амперна характеристика знімається між двома електродами, однак її вид буде залежати від того, що подається на третій електрод. У зв'язку з цим ВАХ транзистора буде являти собою не одну характеристику, а їх сімейство.

Для схеми вмикання транзистора СЕ вхідний сигнал подається між базою і емітером, а вихідний знімається між емітером і колектором. Отже, вхідною характеристикою є залежність , a вихідною характеристикою – . Ці характеристики наведені на рис. 2.4.

а) б)

в)

Рис. 2.4. Вмикання біполярного транзистора за схемою зі спільним емітером (а), його вхідні (б) та вихідні (в) вольт-амперні характеристики

Як слідує з рис. 2.4, вхідна характеристика мало залежить від вихідної напруги , тому в довідниках звичайно наводять дві вхідні характеристики, що відповідають нульовій і робочій напрузі .

З вихідних характеристик видно, що струм колектора транзистора (вихідний струм) мало залежить від вихідної напруги , а в основному визначається струмом бази (вхідним струмом).

Транзистор характеризується наступними основними параметрами:

– максимально допустима напруга між колектором і емітером;

– максимально допустимий струм колектора;

– максимально припустима потужність, що розсіюється транзистором;

– зворотний (тепловий) струм колекторного переходу;

– максимальна робоча частота;

– максимально допустима температура (для германієвих транзисторів +85°С, а для кремнієвих +125°С).

Характеристики, наведені на рис. 2.4.б,в називаються статичними. Вони характеризують транзистор як прилад. Для того, щоб за допомогою транзистора здійснити підсилення сигналу у його вхідне коло вмикають джерело сигналу , а у вихідне коло - навантажувальний опір (рис. 2.5).

Для даного ланцюга, відповідно до другого закону Кірхгофа, можна записати .

З останнього рівняння отримуємо: .

Отримана функція для струму називається рівнянням динамічної навантажувальної характеристики транзистора.

Рис. 2.5. Схема вмикання біполярного транзистора в електричне коло – динамічний режим роботи

Оскільки рівняння лінійне, динамічну навантажувальну характеристику можна побудувати по двох точках:

1) при , ;

2) при , .

Динамічна навантажувальна характеристика транзистора будується на вихідних статичних характеристиках (рис. 2.4). Точка перетину О динамічної навантажувальної характеристики з відповідною статичною характеристикою, яка визначається заданим струмом бази , називається робочою точкою транзистора.

В процесі роботи при зміні вхідного сигналу (струму бази) робоча точка може знаходитися в трьох областях, кожній з яких відповідає свій режим роботи (рис. 2.4):

= область відсічки (1) - транзистор повністю закритий, оскільки і емітерний, і колекторний переходи закриті. У ланцюзі колектора протікає незначний зворотній струм (тепловий струм). В режимі, що відповідає цій області, транзистор можна розглядати як розімкнений ключ.

= активна область (2) - робоча точка рухається в межах пологої ділянки вихідних ВАХ. Це так званий режим лінійного підсилення. У даному режимі емітерний перехід транзистора відкритий, а колекторний закритий, і виконується умова .

= область насичення (3) - у цьому режимі емітерний і колекторний переходи відкриті. Транзистор повністю відкритий, його опір мінімальний і . Струм обмежується тільки опором навантаження . Транзистор в цьому режимі може розглядатися як замкнений ключ.

В лінійних підсилювачах транзистор працює в активному режимі.

Якщо в процесі роботи транзистор почергово знаходиться в режимі насичення і відсічки, такий режим називається імпульсним або ключовимрежимом. Він використовується в імпульсних і цифрових пристроях.

Контрольні запитання

1. Дати визначення, що таке біполярний транзистор.

2. Структура та схематичне позначення транзистора n-p-n типу; p-n-p типу.

3. p-n переходи в біполярному транзисторі. Їх назви, розташування та призначення (з наведенням структури транзистора).

4. Які умови повинні бути виконані при виготовленні транзистора і чому?

5. Пояснити механізм утворення струмів бази, емітера та колектора.

6. Чому в транзисторі носії заряду, що потрапили в базу з емітера, вільно проходять з бази в колектор, незважаючи на те, що колекторний перехід закритий?

7. Чому виникає струм і від чого залежить його значення?

8. У чому відмінність статичних і динамічних характеристик транзистора?

9. Вивести взаємозв'язок між коефіцієнтами передачі струму і .

10. Як визначити параметр за знятими характеристиками?

11. Основні режими роботи транзистора. Чим вони відрізняються?

12. В якому з режимів роботи біполярний транзистор здатен підсилювати сигнали?

13. В якому з режимів роботи транзистор характеризується найменшими втратами енергії? Чому?

14. В чому особливість ключового режиму? Які переваги на вашу думку має цей режим роботи біполярного транзистора?

15. Навести основні схеми вмикання біполярних транзисторів та довести, що схема зі спільним емітером здатна підсилювати і напругу і струм.

16. Коефіцієнт передачі струму в схемі зі спільною базою, схемі зі спільним емітером та спільним колектором.

17. Рівняння, що описують транзистор як активний чотириполюсник (з наведенням структури чотириполюсника) та визначення h -параметрів.

18. В яких режимах виконується розрахунок параметрів транзистора як активного чотириполюсника (з наведенням структури чотириполюсника, назвою параметру та формулою для його визначення)?