Схемотехника

федеральный университет
Красноярск, 2008

характеристики, параметры, модели, применение
Лекция 8


Лекция 9

Лекция 10

включения (ОЭ, ОБ, *ОК).
Статические ВАХ и параметры для основных

схем включения
3.2. Режимы работы биполярных транзисторов
3.3. Понятие о классах усиления. Работа БТ в ключевом режиме
3.4. Влияние внешних условий на характеристики и параметры БТ. Проблема стабилизации рабочей точки и усиления
3.5. *Источники собственных шумов в БТ
3.6. Модели биполярных транзисторов. Малосигнальные высокочастотные эквивалентные схемы БТ (П- и Т-образные). Модель Эберса – Молла. Понятие о нелинейных моделях БТ для высоких и сверхвысоких частот

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Тема 3 Биполярные транзисторы

применение
Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих между собой

p–n-перехода, называется биполярным транзистором.

ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы:

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Устройство, условное обозначение и включение биполярных
транзисторов в активном режиме

ОБ, *ОК).

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели,

применение

Включение биполярного транзистора
n-p-n типа в активном режиме

Поэтому, в прямосмещённом p-n переходе, количество носителей, например, дырок в транзисторе n-p-n типа, поступающих из базы в эмиттер, оказывается значительно меньше, чем электронов, инжектированных из эмиттера в базу. Следовательно, изменяя в небольших пределах инжекцию дырок из базы в эмиттер (дырочный ток базы), можно управлять инжекцией во много раз большего количества электронов из эмиттера в базу.
Инжектированные эмиттером в область базы электроны оказываются в ней неосновными носителями (основные – дырки). Электроны заполняют базу, распространяясь по законам диффузии и дрейфа. Процесс диффузии обусловлен наличием градиента концентрации электронов и напоминает поведение молекул газа в воздушной среде.

В процессе изготовления транзистора добиваются, чтобы концентрация легирующих примесей в базе была во много раз ниже, чем в эмиттере. Это делает область p-n перехода база-эмиттер несимметричной. Ток через переход при прямом смещении будет обусловлен электронами и дырками в количестве, пропорциональном концентрации легирующих примесей в области базы и эмиттера.

ОБ, *ОК).

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели,

применение

Включение биполярного транзистора
n-p-n типа в активном режиме

Дрейф носителей происходит, если в структуре базы существует неравномерная концентрация примеси от эмиттера к коллектору, за счет чего создается внутреннее электрическое поле, вектор которого направлен в сторону коллектора.
Взаимодействие между переходами в транзисторе обусловлено малой толщиной базы (примерно 0,5 мкм), которая оказывается значительно меньше диффузионной длины инжектированных в нее носителей (примерно 10 мкм). Поэтому, за время перемещения носителей от эмиттерного к коллекторному переходу существенной рекомбинации электронов и дырок в области базы не происходит.
Источник питания транзистора постоянным током включается таким образом, что переход эмиттер-база для основных носителей смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор – в обратном.
Когда неосновные носители, инжектированные в область базы, – электроны достигают коллекторного перехода, они втягиваются в область коллектора под действием электрического поля, создаваемого положительным напряжением источника коллекторного питания. Явление втягивания носителей в область коллектора под действием электрического поля называется экстракцией.

Плотность диффузионного тока определяется коэффициентом диффузии и градиентом концентрации электронов, инжектированных в базу транзистора

ОБ, *ОК).

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели,

применение

Включение биполярного транзистора
n-p-n типа в активном режиме

Для получения максимальной экстракции носителей активный 4 и пассивный 5 участки базы охватывают область эмиттера –1, а участок коллектора 2 перекрывает все области базы: активную, пассивную и периферическую – 6. Базовый вывод, который является границей раздела базы на активную и периферическую области, достаточно удален от эмиттера, и до него доходит лишь незначительная часть электронов. В результате, электронный ток эмиттера

Электрический ток через переход эмиттер-коллектор обусловлен инжекцией носителей из эмиттера в базу, поскольку концентрация примесей в области базы гораздо ниже, чем в эмиттере (на несколько порядков), и последующей экстракцией их в область коллектора.

Основные области транзистора

ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы:

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

В зависимости от того, какие напряжения действуют на переходах, различают 3 режима работы транзистора:
активный режим работы или режим усиления, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном;
режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом направлении;
режим отсечки, когда оба перехода смещены в обратном направлении.

Режимы работы биполярного транзистора

ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы:

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Принцип работы биполярного транзистора заключается в том, что незначительный по величине ток базы Iб, возникающий при подаче прямого напряжения Uбэ на переход эмиттер-база, вызывает значительные изменения тока эмиттера Iэ и тока коллектора Iк

Iк = βст·Iб

βст – статический коэффициент передачи тока базы

Iк0 – обратный ток коллекторного перехода,
φТ – температурный потенциал

Iэ = Iк + Iб

линейный четырехполюсник

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
.

Эксплуатационные характеристики биполярных транзисторов определяются в режиме малого сигнала, когда режим работы транзистора близок к линейному. Тогда транзисторный усилитель можно рассматривать как линейный активный четырехполюсник. При этом используется предварительно задаваемый фиксированный режим работы усилителя по постоянному току, а переменное напряжение поступает на один из входов транзистора в зависимости от выбранной схемы включения. создавая режим короткого замыкания (КЗ) или холостого хода (ХХ) по переменному току на входе, или выходе транзистора. По результатам измерений определяются h-параметры транзистора, входящие в систему уравнений

,

где u1, i1 – входное переменное напряжение и ток,
а i2, u2 – выходной переменный ток и напряжение.

Дифференциальные коэффициенты системы уравнений имеют следующий физический смысл:

h11 – входное сопротивление транзистора;
h12 – обратный коэффициент передачи, или коэффициент обратной связи по переменному току;
h21 – коэффициент передачи тока;
h22 − выходная проводимость.

линейный четырехполюсник

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
.

,

где U1, U2, I1, I2 – значения постоянного тока и напряжения входной и выходной цепи транзистора.

В зависимости от схемы включения транзистора (общий эмиттер или общая база) к обозначениям h-параметров добавляются соответствующие индексы, например, коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером − h21е или коэффициент передачи тока в схеме с общей базой − h21b.

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Включение биполярного транзистора n–р–n-типа

по схеме с общим эмиттером

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Включение биполярного транзистора
n–р–n-типа

по схеме с общим эмиттером

На приведенной схеме представлен усилитель переменного напряжения на транзисторе с ОЭ и его эквивалентная схема. Режим работы усилителя по постоянному току устанавливается источниками Uпит и Uсмещ и резисторами R1 и Rн.
С помощью резистора R1 устанавливается значение постоянного тока базы транзистора.
Напряжение коллектор-эмиттер транзистора определяется напряжением источника питания , током коллектора и сопротивлением коллекторной нагрузки. Постоянная составляющая напряжения на коллекторе описывается линейным уравнением .

С увеличением тока происходит уменьшение напряжения коллектор-эмиттер.

тока коллектора от напряжения на нем. Как видим, ток коллектора

нелинейно зависит от напряжения коллектор-эмиттер и одновременно зависит от установленного тока базы. Круто нарастающие левые участки характеристик соответствуют режиму насыщения, при котором коллекторное напряжение почти не зависит от тока базы. Правые участки характеристик соответствуют активному режиму работы транзистора

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора n-p-n-типа в схеме с общим эмиттером

ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы:

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение.

h11 = (ΔUбэ/ΔIб)|Uкэ = const

h21 = (ΔIк/ΔIб)|Uкэ = const

h12 = (ΔUбэ/ ΔUкэ)|Iб = const

h22 = (ΔIк/ΔUкэ)|Iб = const

kU = (ΔUкэ/ΔUбэ)

ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы:

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Включение биполярного транзистора n–р–n-типа по схеме с общей базой

ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы:

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора n-p-n-типа в схеме с общей базой

ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы:

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

h11(об) = (ΔUэб/ΔIэ)|Uкб = const

h12(об) = (ΔUэб/ΔUкб)|Iэ = const

h21(об) = (ΔIк/ΔIэ)|Uкб = const

h22(об) = (ΔIк/ΔUкб)|Iэ = const

ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы:

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Включение биполярного транзистора n–р–n-типа по схеме с общим коллектором

Rвх = Uвх/Iб = (Uбэ+Uвых) / Iб

Ki = Iэ/Iб

KU = Uвых/(Uбэ+Uвых) < 1

ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы:

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

параметры, модели, применение
Типовая схема усилительного каскада с общим эмиттером
Iк =

(Ек – Uкэ)/Rк

Pвых = 0,5·Iк m ·Uкэ m

Pвх = 0,5·Iб m ·Uбэ m

Rвх = Uбэ m /Iб m

Rб = (Еб – Uбэ(0))/Iб(0)

KI = Iк m/Iб m

KU = Uкэ m /Uбэ m

Kp = KI ·KU

параметры, модели, применение
К графоаналитическому методу расчета
и анализу усилительного каскада

на биполярном транзисторе

приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Класс усиления А.

Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса А. Характерной чертой этого режима является выполнение условия ∆Iк < Iкп, для обеспечения которого напряжение Uсм применительно к схеме на рисунке должно быть положительным и превосходить максимальную амплитуду напряжения Uс .

Ток покоя коллектора:

Iкп = (Iк min + Iк max)/2.

Максимальная амплитуда выходного тока:

∆Iк max = (Iк max – Iк min)/2.

физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Класс усиления В. Режим

работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса В. Данный режим соответствует выбору Uсм = 0. При этом Iкп = Iк min ≈ 0 и Uкэ п = Uп – Iк min Rк ≈ Uп . Мощность, рассеиваемая в каскаде при условии Uс = 0, практически также равна нулю, так как транзистор находится в режиме отсечки.

Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности (а) и временные диаграммы (б), поясняющие ее работу (VT1 – n–p–n,
VT2 – р–n–р)

приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Класс усиления АВ.

Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса АВ.

Класс усиления С. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает на интервале меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса С .

Класс усиления D. Режим работы транзисторного каскада, при котором в установившемся режиме усилительный элемент (биполярный транзистор) может находиться только в состоянии «Включено» (режим насыщения биполярного транзистора) или «Выключено» (режим отсечки биполярного транзистора), называется ключевым режимом или режимом усиления класса D.

приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Основные параметры усилителей

различных классов усиления