Биполярные транзисторы и их применение в радиоэлектронике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Северо-Казахстанский государственный университет им М.Козыбаева

Инженерно-технический факультет

Кафедра ,,энергетика и радиоэлектроника”

Реферат

На тему: «Биполярные транзисторы и их применение в радиоэлектронике»

Выполнил: студент группы РЭТ -15

Жолдас Бекмурат

Проверила:ст.преподователь

Крашевская Т.И

г. Петропавловск

2015

Ведение

Транзисторы - это полупроводниковые приборы, пригодные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. В транзисторах может быть разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя n-p-переходами, называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Транзистор представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область - эмиттером, другая - коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n-p-перехода: эмиттерный - между эмиттером и базой и коллекторный - между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концент`рация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере.

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

Активный режим - напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном - обратное.

Режим отсечки (запирания) - обратное напряжение подано на оба перехода.

Режим насыщения - на обоих переходах прямое напряжение.

Основным является активный режим. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи: входная (управляющая) - в нее включают источник усиливаемых сигналов и выходная (управляемая) - в нее включается нагрузка.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор - трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости.

По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) -- электронный тип примесной проводимости, p (positive) -- дырочный).

Работа биполярного транзистора, в отличие от полевого транзистора, основана на переносе зарядов одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» -- «два»).

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рис.1.

Устройство плоскостного биполярного транзистора

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. В настоящее (2015 г.) время их изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ-усилителей.

Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных - полупроводниковых слоёв: эмиттера E (Э), базы B (Б) и коллектора C (К).

В зависимости от чередования типа проводимости этих слоёв различают n-p-n (эмиттер ? n-полупроводник, база ? p-полупроводник, коллектор ? n-полупроводник) и p-n-p транзисторы

Электрод, подключённый к среднему слою, называют базой, электроды, подключённые ко внешним слоям, называют коллектором и эмиттером.

От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы.

Условное графическое обозначение транзисторов

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

Для определённости рассмотрим работу n-p-n транзистора, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители заряда в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бомльшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент б, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = б Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента б 0,9--0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен в = б/(1 ? б), от 10 до 1000. Таким образом, малым током базы можно управлять значительно большим током коллектора.

Режимы работы биполярного транзистора

1. Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база -- в обратном (закрыт) UЭБ>0; UКБ<0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ<0;UКБ>0.

2. Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход -- прямое.

3. Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) -- это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) -- это падение напряжение между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

4. Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6--0,7 В). Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,7 В, или IБ=0.

5. Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторо

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности -- до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор -- обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов. 

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное -- не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом. 

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. 

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Схема включения с общим коллектором

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным -- потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Основные параметры

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

· коэффициент усиления по току б;

· сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:

· rэ -- сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;

· rк -- сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;

· rб -- поперечное сопротивление базы.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление -- сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0

Выходная проводимость -- внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0

Область применения

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и широко применяются в различных усилителях, генераторах, в импульсных и ключевых устройствах. Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления -- то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Простейший усилительный каскад на биполярном транзисторе

Наибольшее применение находит схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером (рис. 4.7)

Основными элементами схемы являются источник питания Ек, управляемый элемент - транзисторVT и резистор Rк. Эти элементы образуют главную (выходную) цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы.

Остальные элементы выполняют вспомогательную роль. Конденсатор Ср является разделительным. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался бы постоянный ток от источника питания Ек.

Резистор RБ, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Режим покоя обеспечивается током базы покоя IБ Ек/RБ.

Схема простейшего усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером

С помощью резистора Rк создается выходное напряжение, т.е. Rк выполняет функцию создания изменяющегося напряжения в выходной цепи за счет протекания в ней тока, управляемого по цепи базы.

Для коллекторной цепи усилительного каскада можно записать следующее уравнение электрического состояния:

Ек = Uкэ + IкRк

т.е сумма падения напряжения на резисторе Rк и напряжения коллектор-эмиттер Uкэ транзистора всегда равна постоянной величине - ЭДС источника питания Ек.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.

При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения uвх в базовой цепи транзистора создается переменная составляющая тока IБ, а значит ток базы будет изменяться. Изменение тока базы приводит к изменению значения тока коллектора (IК = IБ), а значит, к изменению значений напряжений на сопротивлении Rк и Uкэ. Усилительные способности обусловлены тем, что изменение значений тока коллектора в раз больше, чем тока базы.

биполярный транзистор усилительный каскад

Список литературы

1. Лаврентьев Б. Ф. Схемотехника электронных средств. -- М.: Издательский центр «Академия», 2010. -- С. 53-68. -- 336 с. -- ISBN 978-5-7695-5898-6

Размещено на Allbest.ru