Структура биполярного транзистора

Биполярные транзисторы

Структура биполярного транзистора

Биполярный транзистор n-p-n-структуры и его условное обозначение показаны на рис 7.1.

Транзистор состоит из трех чередующихся слоев полупроводника различного типа. Первый слой (для n-p-n-транзистора это n-слой) называется эмиттером. Эмиттер отличается тем, что в нем наибольшая концентрация свободных носителей зарядов – в данном случае электронов. Далее следует p-слой, называемый базой. База имеет небольшие размеры и на порядки меньшее количество основных носителей – дырок. Последний слой получил название коллектора. Коллектор имеет наибольшие размеры. Таким образом, биполярный транзистор обладает несимметричной структурой. Это связано с тем, что в усилительном режиме эмиттер является источником зарядов, а коллектор собирает заряды. Поэтому концентрация носителей в эмиттере высока а коллектор как выходной контакт имеет наибольшие размеры для обеспечения большой мощности выходного сигнала. База используется для управления потоком носителей через транзистор. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом, а между коллектором и базой – коллекторным переходом.

Рис. 7.1 Биполярный транзистор n-p-n-структуры

В зависимости от приложенных к контактам транзистора напряжений различают четыре режима работы биполярного транзистора: активный, насыщения, отсечки, инверсный.

Режим насыщения биполярного транзистора

Рис. 7.3 Режим насыщения транзистора n-p-n-структуры

Режим насыщения n-p-n транзистора показан на рис. 7.3.

В режиме насыщения эмиттерный и коллекторный переход открыты. В связи с этим на эмиттерный переход напряжение  подается «-» к n-слою, а «+» к p-слою. Коллекторный переход также открыт, поэтому напряжение  подается «-» к n-слою, а «+» к p-слою. При этом соблюдается неравенство между напряжениями . Направление тока эмиттера  и коллектора  определяется по известному правилу от «+» к «-». Ток базы  направлен в p-слой, так как направление тока встречно движению электронов.

Так как эмиттерный переход открыт, то электроны, как основные носители зарядов, проходят из эмиттера в базу. В базе они являются несновными носителями, поэтому не могут пройти далее через открытый коллекторный переход. Электроны из коллектора через открытый переход также проходят в базу. В базе электроны и остаются. Так как дырок в базе относительно немного, то большое количество электронов не успевает рекомбинироавть с дырками и электроны накапливаются в базе. Говорят, что база насыщается свободными носителями. В режиме насыщения ток базы  максимален, а ток коллектора  небольшой.

Схема с общей базой

Свойства транзистора сильно зависят от того каким образом он включен с точки зрения входного и выходного напряжений. Различают три схемы включения: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Схема с ОБ показана на рис. 7.6.

Рис. 7.6 Схема с общей базой	Рис. 7.7 Схема с общим эмиттером

В схеме с общей базой входное напряжение прикладывается к эмиттеру, а выходное снимается с коллектора. База является общим контактом, относительно которого измеряются входное и выходное напряжения. В общем случае заземление в базе может отсутствовать. При уменьшении входного напряжения  напряжение на эмиттере (n-слой) уменьшается, поэтому эмиттерный переход открывается сильнее и ток коллектора  увеличивается. Аналогично, при увеличении входного напряжения  напряжение на эмиттере возрастает, значит эмиттерный переход закрывается сильнее и ток коллектора увеличивается. Таким образом, в схеме с общей базой увеличение входного напряжения приводит к уменьшению выходного тока, а уменьшение входного напряжения – к увеличению выходного тока.

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером показана на рис. 7.7. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) входное напряжение подается в базу, а выходное снимается с коллектора. Эмиттер является общим контактом, относительно которого задаются входное и выходное напряжения. При уменьшении входного напряжения  потенциал в базе (p-слой) уменьшается, поэтому эмиттерный переход закрывается и ток коллектора уменьшается. При увеличении входного напряжения  потенциал в базе возрастает, следовательно эмиттерный переход открывается сильнее и ток коллектора возрастает. Таким образом, в схеме с общим эмиттером  увеличение входного напряжения приводит к увеличению выходного тока, а уменьшение входного напряжения – к уменьшению выходного тока.

Схема с общим коллектором

Рис. 7.8 Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором показана на рис. 7.8. В схеме с общим коллектором (ОК) входное напряжение подается в базу, а выходное снимается с эмиттера. Коллектор является общим контактом, относительно которого отсчитываются потенциалы. При повышении напряжения в базе потенциал на p-слое n-p-n-транзистора увеличивается, поэтому эмиттерный переход открывается сильнее. На коллекторе обычно сформировано некоторое напряжение, которое не дает открыться коллекторному переходу. Следовательно транзистор находится в активном режиме и ток коллектора , а значит и ток эмиттера , увеличиваются. Соответственно при уменьшении входного напряжения, потенциал базы уменьшается, эмиттерный переход закрывается сильнее и токи коллектора и эмиттера уменьшаются.

ВАХ биполярного транзистора

Биполярный транзистор характеризуется двумя ВАХ, вид которых зависит от схемы включения и типа транзистора – n-p-n или p-n-p-структуры. ВАХ биполярного транзистора n-p-n-структуры в схеме с ОЭ показаны на рис. 7.9. Первое слева семейство характеристик называется выходными ВАХ, а второе семейство – входными характеристиками. Из выходных ВАХ видно, что ток коллектора  увеличивается при увеличении тока базы . При увеличении напряжения  ток коллектора сначала растет, а затем становится постоянным. На выходных ВАХ можно выделить пять областей. Область, для которой ток  соответствует режиму отсечки. Область, в которой напряжение  определяет режим насыщения. Область  принадлежит режиму электрического пробоя p-n-перехода. При больших токах и напряжениях мощность электрического сигнала может превысить допустимую. В этом случае при  наступает тепловой пробой, p-n-переходы транзистора разрушаются. Оставшаяся область, ограниченная указанными выше режимами, соответствует активному режиму и обычно является рабочей областью транзистора в усилительном режиме. Также, в ключевых схемах транзистор может работать в режиме насыщения и отсечки.

Рис. 7.9 ВАХ транзистора с ОЭ

Характеристики усилителей.

 

Выходная мощность

Выходная мощность – это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении, определяемая равенством:

         

где  - амплитудное значение выходного напряжения.

 

Переходная характеристика

Переходная характеристика – это изменение выходного напряжения усилителя во времени при подаче на его вход некоторого постоянного напряжения (обычно подают единичный сигнал). Переходная характеристика усилителя постоянного тока показана на рис. 13.6.

По переходной характеристике можно определить несколько основных параметров усилителя:

* Время переходного процесса – это величина t_p, которая показывает через сколько времени на выходе усилителя установится постоянное напряжение.

* Величина перерегулирования d – это величина максимального отклонения выходного напряжения усилителя над установившимся значением (k₀ U_in) после переходного процесса.

Переходная характеристика связана с частотными характеристиками.

Рис. 13.6 Переходная характеристика

Динамический диапазон

Любой усилитель генерирует некоторый шум. Если подать входное напряжение величиной меньше этого шума, входной сигнал затеряется и не будет заметен на фоне шума. Поэтому существует некоторое минимальное напряжение , которое можно усилить данным усилителем. Кроме того, напряжение на выходе усилителя не может превышать некоторой величины, после которой начинаются нелинейные искажения сигнала. Искажения могут быть связаны с ограниченным напряжением питания, нелинейностью ВАХ и др. Поэтому существует максимальное напряжение , которое данным усилителем усиливается без существенных искажений. Отношение этих двух величин определяет динамический диапазон:

                             .                    (13.4)

Величина динамического диапазона тесно связана с шумовыми характеристиками усилителя. Качество сигнала оценивается характеристикой сигнал-шум, которая показывает во сколько раз мощность сигнала больше мощности шума. При прохождении через усилитель отношение сигнал-шум изменяется. Это изменение характеризуется коэффициентом шума, который показывает, во сколько раз отношение сигнал-шум на выходе отличается от отношения сигнал-шум на входе усилителя.

 

 

Усилитель с общим эмиттером

Схема усилителя с общим эмиттером (ОЭ) показана на рис. 15.1. В схеме с ОЭ входной сигнал подается на базу, а выходной снимается с коллектора. В исходном состоянии коллекторный переход закрыт, а эмиттерный – открыт, поэтому транзистор находится в активном режиме. Чтобы открыть эмиттерный переход в базу n-p-n-транзистора подается положительное напряжение от источника питания  через резистивный делитель , . В результате через транзистор от источника  через резистор , от коллектора к эмиттеру, через сопротивление  протекает постоянный ток .

Рис. 15.1 Усилитель с ОЭ

Если на входе под действием положительного сигнала от источника переменной ЭДС E входное напряжение  начинает нарастать, то потенциал базы повышается, поэтому эмиттерный переход открывается сильнее, ток базы увеличивается, следовательно, ток коллектора возрастает. В результате выходное напряжение

                            ,                   (15.1)

уменьшается.

При увеличении тока коллектора напряжение на коллекторе, равное выходному, уменьшается. Следовательно, при дальнейшем увеличении напряжения на входе напряжение на базе может превысить напряжение на коллекторе, коллекторный переход откроется и транзистор перейдет в режим насыщения.

Если входное напряжение уменьшается, то потенциал базы также уменьшается. В результате эмиттерный переход закрывается сильнее, поэтому ток коллектора уменьшается и выходное напряжение возрастает.

Указанные изменения напряжений усилителя характерны для переменного входного напряжения. Переменный ток коллектора, вызванный этим напряжением, протекает через блокирующую емкость . Если же возникает постоянное смещение тока коллектора, например из-за нагрева транзистора, то эти смещения компенсируются за счет обратной связи, образованной сопротивлением .

Связь постоянного тока базы и тока коллектора определяется двумя уравнениями

                        ,              (15.2)

                                   .                         (15.3)

Пусть ток коллектора увеличился. Из выражения (15.2) видно, что ток базы уменьшиться, а из выражения (15.3) видно, что это приведет к уменьшению тока коллектора. Аналогично, если постоянный ток коллектора уменьшиться, то ток базы возрастет, и ток коллектора увеличится. Таким образом, усилитель сохраняет стабильной рабочую точку по постоянному току. Из (15.2) видно, что чем больше сопротивление , тем чувствительнее усилитель к изменениям постоянного тока.

Разделительная емкость  не пропускает постоянный ток. Сопротивление коллектора  определяет значение выходного напряжения в рабочей точке и чувствительность усилителя к изменениям переменного входного тока. Таким образом, сопротивление коллектора задает коэффициент усиления, равный

                                 ,                        (15.4)

где  – коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор; .

Усилитель с общей базой

Рис. 15.2 Усилитель с ОБ

В усилителе с общей базой входной сигнал подается на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. В исходном состоянии транзистор находится в активном режиме. Для этого через резистивный делитель ,  в базу от источника питания подается положительное напряжение.

При повышении входного напряжения потенциал эмиттера возрастает, эмиттерный переход закрывается сильнее, поэтому ток коллектора уменьшается. В результате выходное напряжение, определяемое выражением (15.1) увеличивается. Если понижать напряжение эмиттера, то эмиттерный переход n-p-n-транзистора открывается сильнее, ток коллектора увеличивается, значит, выходное напряжение уменьшается.

Постоянный ток базы, как и в предыдущей схеме, описывается выражением (15.2). Это означает, что усилитель также компенсирует постоянные изменения токов, т.е. сохраняет рабочую точку по постоянному току.

Разделительная емкость  не пропускает постоянный ток. Сопротивление коллектора  определяет значение выходного напряжения в рабочей точке и чувствительность усилителя к изменениям переменного входного тока. Сопротивление коллектора задает коэффициент усиления, равный

                                ,                      (15.5)

Биполярные транзисторы

Структура биполярного транзистора

Биполярный транзистор n-p-n-структуры и его условное обозначение показаны на рис 7.1.

Транзистор состоит из трех чередующихся слоев полупроводника различного типа. Первый слой (для n-p-n-транзистора это n-слой) называется эмиттером. Эмиттер отличается тем, что в нем наибольшая концентрация свободных носителей зарядов – в данном случае электронов. Далее следует p-слой, называемый базой. База имеет небольшие размеры и на порядки меньшее количество основных носителей – дырок. Последний слой получил название коллектора. Коллектор имеет наибольшие размеры. Таким образом, биполярный транзистор обладает несимметричной структурой. Это связано с тем, что в усилительном режиме эмиттер является источником зарядов, а коллектор собирает заряды. Поэтому концентрация носителей в эмиттере высока а коллектор как выходной контакт имеет наибольшие размеры для обеспечения большой мощности выходного сигнала. База используется для управления потоком носителей через транзистор. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом, а между коллектором и базой – коллекторным переходом.

Рис. 7.1 Биполярный транзистор n-p-n-структуры

В зависимости от приложенных к контактам транзистора напряжений различают четыре режима работы биполярного транзистора: активный, насыщения, отсечки, инверсный.