Передаточная характеристика биполярного транзистора

Ранее были рассмотрены устройство и принцип действия биполярного транзистора, где было установлено, что небольшой ток базы транзистора позволяет управлять большим током коллектора. Далее рассмотрим принцип этого управления и основные характеристики биполярного транзистора (рисунок 1). Структура переходов транзистора (n-p-n или p-n-p) в данном вопросе не имеет значения, поэтому за основу примем n-p-n транзистор.

К основным характеристикам транзистора относятся:

1. Входная характеристика транзистора (рисунок 2). Напряжение на переходе база-эмиттер (эмиттерный переход) для транзисторов малой мощности не превышает 0,2…0,7В, а ток базы составляет несколько десятков микроампер. Эти два параметра определяют вид входной характеристики транзистора – зависимости между током базы и напряжением базы при постоянном напряжении коллектора (для маломощных транзисторов – 5…10В).

2. Передаточная характеристика транзистора (рисунок 3), определяющая зависимость токов коллектора и базы транзистора. По передаточной характеристике транзистора можно определить коэффициент усиления по току (h21э). Для приведенной характеристики этот коэффициент будет равен 50 (соотношение токов между точками А и Б). Для биполярных транзисторов коэффициент усиления может составлять от единиц до нескольких тысяч.

Рассмотрим семейство передаточных характеристик транзистора при включении по схеме с общим эмиттером и постоянном напряжении на переходе коллектор-эмиттер (рисунок 4).

По приведенным характеристикам можно сделать следующие выводы:
— передаточная характеристика транзистора нелинейна (рабочая точка транзистора должна находиться на линейном участке кривой);
— коэффициент усиления по току не зависит от напряжения на переходе коллектор-эмиттер, а определяется наклоном характеристики к оси координат;
— при токе базы равном нулю имеется небольшой ток коллектора, величина которого зависит от напряжения на коллекторе.

Для снятия передаточной характеристики транзистора необходимо собрать схему, изображенную на рисунке 5. Изменяя ток базы при помощи потенциометра R можно отслеживать изменения тока коллектора транзистора.

3. Биполярные транзисторы

3.1. Общие сведения. Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода, пригодный для усиления мощности электрических сигналов. В работе биполярных транзисторов используются носители обеих полярностей (дырки и электроны), что и отражено в их названии.

Рис. 3.1. Схематическое и условное графические изображения биполярных транзисторов n-p-n-типа (а) и p-n-p-типа (б)

По порядку чередования p-n переходов транзисторы бывают: n-p-n и p-n-p типов (рис.3.1).

Область транзистора, расположенная между p-n переходами, называют базой. Одна из примыкающих к базе областей должна наиболее эффективно осуществлять инжекцию носителей в базу, а другая — экстрагировать носители из базы.

Область транзистора, из которой происходит инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а переход эмиттерным.

Область транзистора, осуществляющая экстракцию носителей из базы, называют коллектором, а переход коллекторным.

По применяемому материалу транзисторы классифицируются на германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые.

По технологии изготовления транзисторы бывают: сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные. Толщина базы делается значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней. При равномерном распределении примеси в базе внутреннее электрическое поле в ней отсутствует, и неосновные носители движутся вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми. При неравномерном распределении примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле, и неосновные носители движутся в ней в результате дрейфа и диффузии. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

Кроме того, концентрация атомов примесей в эмиттере и коллекторе (низкоомные области) значительно больше, чем в базе (высокоомная область).

Площадь коллекторного перехода больше эмиттерного, что способствует увеличению коэффициента переноса носителей из эмиттера в коллектор.

По мощности, рассеиваемой коллекторным переходом, транзисторы бывают:

малой мощности (Р 1,5 Вт).

По частотному диапазону транзисторы делятся на:

низкочастотные (f_пр 300 МГц).

Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.

Первый элемент — буква или цифра, указывающая исходный материал: Г(1) — германий, К(2) — кремний, А(3) — арсенид галлия.

Второй элемент — буква, указывающая на тип транзистора: Т — биполярный, П — полевой.

Третий элемент — цифра, указывающая на частотные и мощностные свойства прибора (табл.3.1).

Таблица 3.1 Классификация транзисторов по мощности и частоте

Четвертый, пятый (шестой) элементы — цифры, указывающие порядковый номер разработки.

Шестой (седьмой) элемент — буква, указывающая на разновидность транзистора из данной группы. Примеры обозначения транзисторов: КТ315А; КТ806Б; ГТ108А; КТ3126.

3.2. Схемы включения и режимы работы биполярного транзистора. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения. Потенциал общего электрода принимается за нулевой (земля). Отсчет напряжений на остальных электродах производится относительно точки нулевого потенциала. На рис. 3.2, а показана схема включения транзистора с общей базой (ОБ), на рис. 3.2, б — схема с общим эмиттером (ОЭ), на рис. 3.2, в — схема с общим коллектором (ОК).

Рис. 3.2. Схемы включения биполярных транзисторов: с общей базой (а); с общим эмиттером (б); с общим коллектором

В зависимости от полярности внешних напряжений, подаваемых на электроды транзистора, различают следующие режимы его работы.

Активный режим — эмиттерный переход смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный — в обратном направлении (закрыт).

можно построить, используя семейство выходных характеристик.

Характеристики обратной связи. Семейство статических характеристик обратной связи транзистора, характеризующее зависимость U_эб=f(U_кб), при I_э=const, представлено на рис.3.8.

Характеристика обратной связи имеет отрицательный наклон, что связано с уменьшением ширины базы и тока рекомбинации, а также с ростом градиента концентрации носителей тока эмиттера при увеличении абсолютного значения напряжения U_кб. Так как

Рис. 3.8. Семейство статических характеристика снимается при постоянном токе

характеристик обратной связи в эмиттера, то необходимо уменьшать инжекцию

схеме с ОБ носителей из эмиттера в базу посредством

снижения U_эб. Характеристики обратной связи можно построить, используя семейство входных характеристик.

Статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ. На рис.3.9 представлена схема включения транзистора в схеме с ОЭ. Семейство входных характеристик U_бэ=f(I_б), при U_кэ=const представлено на рис.3. 10.

Рис. 3.9. Включение транзистора Рис. 3.10. Семейство статических входных

в схеме с общим эмиттером характеристик в схеме с ОЭ

При отсутствии внешнего напряжения U_кэ=0 входная характеристика представляет собой вольтамперную характеристику двух параллельно включенных p-n переходов. Это соответствует режиму насыщения транзистора.

При увеличении напряжения U_кэ коллекторный переход включается в обратном направлении и транзистор переходит в активный режим работы. Увеличение U_бэ приводит к росту рекомбинации носителей в базе, и при некотором напряжении U_бэ ток базы становится равным нулю (I_б=0), а характеристика смещается в сторону оси напряжений.

Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером представлены на рис.3.11 и выражают зависимость I_к=f(U_кэ) при I_б=const. В схемах с ОЭ и ОК управляющим является входной ток — ток базы I_б.

При токе базы, равном нулю, в коллекторной цепи протекает обратный ток, величина которого равна I_кэо, и выходная характеристика представляет собой характеристику обратно-смещенного перехода. Транзистор работает в режиме отсечки в области, расположенной ниже данной характеристики.

При наличии входного тока базы и небольшого напряжения |U_кэ| |U_бэ|, транзистор из режима насыщения переходит в активный режим. Рост коллекторного тока замедляется, характеристика идет более полого. Небольшой рост I_к на пологом участке обусловлен:

1) уменьшением ширины и тока базы I_б (уменьшается рекомбинация носителей в базе) при увеличении U_кэ. Для поддержания постоянного

Рис. 3.11. Семейство значения тока базы необходимо увеличивать U_бэ,

статических выходных что приводит к росту токов эмиттера и коллектора;

характеристик в схеме с ОЭ 2) увеличением напряжения на коллекторном

переходе, что приводит к росту ударной ионизации в нем и возрастанию тока коллектора. При больших значениях U_кэ возможен электрический пробой p-n перехода.

Характеристики прямой передачи представлены на рис.3.12, выражают зависимость I_к=f(I_б) при U_кб=const.

Отклонение их от прямой линии определяется нелинейностью изменения коэффициента передачи тока базы h_21б от режима работы транзистора. При напряжении на коллекторе, отличном от нуля, характеристики прямой передачи сдвинуты по оси ординат на величину I_кэо.

Эти характеристики можно построить из семейства выходных характеристик.

Рис. 3.12. Семейство статических Рис. 3.13. Семейство статических

характеристик прямой передачи с ОЭ характеристик обратной связи в схеме с ОЭ

Характеристики обратной связи представлены на рис.3.13 и выражают зависимость U_эб=f(U_кэ), при I_б=const.

При небольших напряжениях U_кэ характеристики имеют восходящий участок, соответствующий режиму насыщения транзистора. Пологий участок характеристик обратной связи соответствует активному режиму работы транзистора. Эти характеристики получаются простым графическим перестроением семейства входных характеристик.

3.4. Основные параметры биполярных транзисторов. Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

по току ; (3.1)

по напряжению ; (3.2)

по мощности ; (3.3)

входное сопротивление

выходное сопротивление

Чтобы определить входные и выходные токи и напряжения при различных схемах включения транзистора, изобразим рисунок 3.14.

Используя приведенные выше выражения и схемы, изображенные на рисунке 3.14, получаем формулы для расчета параметров транзисторов при различных схемах включения.

Рис. 3.14. Схема включения транзистора с ОБ (а), ОЭ (б), с ОК (в)

; (3.4)

где α≈1, т.е. схема с ОБ не усиливает ток.

(3.5)

где — сопротивление открытого эмиттерного перехода, составляющее, как уже отмечалось, десятки Ом;

(3.6)

(3.7)

где >>1, так как >>.

, (3.8)

Из полученных выражений видно, что схема с ОБ характеризуется малым входом сопротивлением, отсутствием усиления по току, большим усилением по напряжению и мощности.

(3.9)

где β≈100, т.е. схема с ОЭ значительно увеличивает ток.

(3.10)

(3.11)

(3.12)

т. к. >>, схема дает значительное увеличение напряжения.

(3.13)

Таким образом, схема с ОЭ имеет большее, чем схема с ОБ, входное сопротивление, и усиливает сигнал по току, напряжению и мощности.

(3.14)

т.е. схема с ОК имеет

(3.15)

(3.16)

т.е.

Таким образом, схема с ОК (схема эмиттерного повторителя) имеет значительно большее значение входного сопротивления, чем любая другая схема включения транзистора, и усиливает сигнал по току и мощности. Большое значение входного сопротивления схемы с ОК предопределяет широкое применение на практике эмиттерного повторителя в качестве согласующего устройства.

Полученные значения параметров транзистора для различных схем его включения представлены в табл. 3.2. Анализ данных свидетельствует об универсальности схемы с ОЭ (см. рис. 3.14 б), обеспечивающей усиление транзистора как по току, так и по напряжению. Этим объясняется широкое применение указанной схемы включения транзистора в нелинейных цепях. Высокие значения β обуславливают также усилительное свойство транзистора по току, заключающееся в возможности малыми входными токами (током I_б) управлять существенно большими токами (током I_к≈βI_б) в выходной (нагрузочной) цепи.

Таблица 3.2 Параметры транзистора для различных схем его включения

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

• Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
• Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
• Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
• Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы I_б. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I _э = I _б + I _к.

Характеристики

• Коэффициент усиления тока β = I_к / I_б.
• Коэффициент усиления напряжения U_эк / U_бэ.
• Сопротивление на входе.
• Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление R_L, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С₁, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки R_L, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С₁, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R₁, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik R k +Vk e .

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Режимы работы

На быстродействие транзистора оказывает влияние величина подключаемого напряжения. Рассмотрим разные режимы работы на примере схемы, в которой биполярные транзисторы подключаются с общим эмиттером.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения V_БЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью V ke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении I_В ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью I k и наиболее крутым графиком.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.