Транзистор в режиме диода

Равнозначна ли такая схема включения транзистора обычному диоду, или нет, а если нет — то почему?

Равнозначна.
На моей памяти применение в таком включении транзисторов П4хх в мостовых выпрямителях вместо мощных диодов.

Переход б-э эквивалентен у большинства кремниевых транзисторов стабилитрону с напряжением ст.

7,5v — Vб-э предельная.
Но у некоторых, напр.Кт209

60v. В некоторых схемах это используется, напр.
Обсуждение здесь http://pro-radio.ru/power/2412-3/

Речь конкретно о представленной мной схеме, с нормальной величиной и полярностью питания, без превышения предельно-допустимых величин и выхода в нештатные режимы.

Неравнозначна, и об этом на лекциях по ТОЭ нам препод специально говорил. Ввиду такого специалитета я это запомнил, и попробую донести до вас.
Если бы тут был только переход БЭ, то да, это был бы только диод. Но базовый ток резко повышает проводимость коллекторного перехода. И результирующий ток более обеспечивается за счёт составляющей коллекторного тока, чем базовой (прикидочно в В раз). Это приводит к тому, что "пятка" прямой ветви ВАХ для транзистора имеет чуть меньшую величину, чем отдельно для перехода БЭ этого же транзистора. Кроме того, загиб ВАХ на этой пятке у транзистора более крутой (более резкий) — по той же причине. Что-то об этом есть в книжке Шило, ведь такое включение хорошо изучено, да и в схематике ИМС хорошо видно, что такое включение применяется чаще, чем чисто диодное.
Ну и разумеется, у такого включения гораздо меньшее обратное напряжение, как правильно упомянул alexleon4.

Спец: Ввиду такого специалитета я это запомнил, и попробую донести до вас

Форум про радио — сайт, посвященный обсуждению электроники, компьютеров и смежных тем.

Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar ), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

Содержание

Устройство [ править | править код ]

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E ), базы («Б», англ. B ) и коллектора («К», англ. C ). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты [1] .

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время (2015 г.) биполярные транзисторы 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.

Принцип работы [ править | править код ]

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении [2] (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n [3] основные носители заряда в эмиттере (электроны) 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, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико [4] . Сильное электрическое поле обратносмещённого 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 (I_э=I_б + I_к).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 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 β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.

Режимы работы [ править | править код ]

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе ( U E , U B , U C <displaystyle U_,U_,U_> )	Смещение перехода база-эмиттер для типа n-p-n	Смещение перехода база-коллектор для типа n-p-n	Режим для типа n-p-n
U E U B U C <displaystyle U_	прямое	обратное	нормальный активный режим
U_>"> U E U B > U C <displaystyle U_U_> U_>"/>	прямое	прямое	режим насыщения
U_ U E > U B U C <displaystyle U_>U_ U_	обратное	обратное	режим отсечки
U_>U_>"> U E > U B > U C <displaystyle U_>U_>U_> U_>U_>"/>	обратное	прямое	инверсный активный режим
Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе ( U E , U B , U C <displaystyle U_,U_,U_> )	Смещение перехода база-эмиттер для типа p-n-p	Смещение перехода база-коллектор для типа p-n-p	Режим для типа p-n-p
U E U B U C <displaystyle U_	обратное	прямое	инверсный активный режим
U_>"> U E U B > U C <displaystyle U_U_> U_>"/>	обратное	обратное	режим отсечки
U_ U E > U B U C <displaystyle U_>U_ U_	прямое	прямое	режим насыщения
U_>U_>"> U E > U B > U C <displaystyle U_>U_>U_> U_>U_>"/>	прямое	обратное	нормальный активный режим

Нормальный активный режим [ править | править код ]

Переход эмиттер-база включён в прямом направлении [2] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

Инверсный активный режим [ править | править код ]

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: U_КБ>0; U_ЭБ Режим насыщения [ править | править код ]

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 (I_{Э. нас}) и коллектора (I_{К. нас}).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (U_{КЭ. нас}) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог R_{СИ. отк} у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (U_{БЭ. нас}) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки [ править | править код ]

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 U_ЭБ [5] [6] .

Барьерный режим [ править | править код ]

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, включённый 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 [ править | править код ]

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

Схема включения с общей базой [ править | править код ]

• Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_к/I_э = α [α Достоинства

• Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
• Высокое допустимое коллекторное напряжение.

Недостатки

• Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
• Малое входное сопротивление

Схема включения с общим эмиттером [ править | править код ]

• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_к/I_б = I_к/(I_э-I_к) = α/(1-α) = β [β>>1].
• Входное сопротивление: R_вх = U_вх/I_вх = U_бэ/I_б.

Достоинства

• Большой коэффициент усиления по току.
• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее усиление мощности.
• Можно обойтись одним источником питания.
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

• Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором [ править | править код ]

• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_э/I_б = I_э/(I_э-I_к) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
• Входное сопротивление: R_вх = U_вх/I_вх = (U_бэ + U_кэ)/I_б.

Достоинства

• Большое входное сопротивление.
• Малое выходное сопротивление.

Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры [ править | править код ]

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

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 α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:

• r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
• r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
• r_б — поперечное сопротивление базы.

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.

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.

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.

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

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

h 11 ∍ = r δ + r ∍ 1 − α <displaystyle h_<11ackepsilon >=r_<delta >+<frac ><1-alpha >>> ;

h 12 ∍ ≈ r ∍ r κ ( 1 − α ) <displaystyle h_<12ackepsilon >approx <frac >(1-alpha )>>> ;

h 21 ∍ = β = α 1 − α <displaystyle h_<21ackepsilon >=eta =<frac <alpha ><1-alpha >>> ;

h 22 ∍ ≈ 1 r κ ( 1 − α ) <displaystyle h_<22ackepsilon >approx <frac <1>(1-alpha )>>> .

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C_к. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода C_э также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода r_э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τ_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ_ф. Временем включения транзистора называется τ_вкл = τ_з + τ_ф.

Биполярный СВЧ-транзистор [ править | править код ]

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ [7] . Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу [8] . По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитаксиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую) [9] . По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт) [10] . Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ [10] .

После того, как мы с вами стали изучать биполярные транзисторы, в личные сообщения стало приходить очень много сообщений именно про них. Самые распространенные вопросы звучат примерно так:

Если транзистор состоит из двух диодов, тогда почему бы просто не использовать два диода и не сделать из них простой транзистор?

Почему электрический ток течет от коллектора к эмиттеру (или наоборот), если транзистор состоит из двух диодов, которые соединены или катодами или анодами? Ведь ток потечет только через диод, включенный в прямом направлении, через другой он ведь течь не может?

А ведь правда ваша…Все логично… Но что-то мне кажется, что где-то есть подвох ;-). А вот где эта самая “изюминка” мы и рассмотрим в этой статье…

Строение транзистора

Итак, как вы все помните из предыдущих статей, любой биполярный транзистор, скажем так, состоит из двух диодов. Для PNP транзистора

эквивалентная схема выглядит вот так:

А для NPN транзистора

А что мудрить? Давайте проведем простой опыт!

У нас имеется всеми нами любимый советский транзистор КТ815Б. Он представляет из себя кремниевый транзистор NPN проводимости:

Собираем простую схемку с ОЭ (Общим Эмиттером), чтобы продемонстрировать его некоторые свойства. Этот опыт я показывал в предыдущих статьях. Но как говорится, повторение – мать учения.

Для демонстрации опыта нам понадобится маломощная лампочка накаливания и парочка Блоков питания. Собираем все это дело вот по такой схеме:

где у нас Bat1 – это блок питания, который у нас включается между базой и эмиттером, а Bat2 – блок питания, который у нас включается между коллектором и эмиттером, и в придачу последовательно цепляется еще лампочка.

Все это выглядит вот так:

Так как лампочка нормально светит при напряжении в 5 В, на Bat 2 я также выставил 5 В.

На Bat 1 плавно повышаем напряжение… и при напряжении в 0,6 В

у нас загорается лампочка. Следовательно, наш транзистор “открылся”

Но раз уж транзистор состоит из диодов, то почему бы нам не взять два диода и не “сделать” из них транзистор? Сказано – сделано. Собираем эквивалентную схему транзистора КТ815Б из двух диодов марки 1N4007.

На рисунке ниже я обозначил выводы диодов, как анод и катод, а также обозначил выводы “транзистора”.

Собираем все это дело по такой же схеме:

Так как наш транзистор КТ815Б были кремниевый, и диоды 1N4007 тоже кремниевые, то по идее транзистор из диодов должен открыться при напряжении 0,6-0,7 В. Добавляем напряжение на Bat1 до 0,7 В…

нет, лампочка не горит ((

Если обратите внимание на блок питания Bat1, то можно увидеть, что потребление при 0,7 В составляло уже 0,14 А.

Проще говоря, если бы мы еще чуток поддали напряжение, то спалили бы диод “база-эмиттер”, если, конечно, вспомнить вольтамперная характеристику (ВАХ) диода.

Транзисторный эффект

Но почему, в чем дело? Почему транзистор КТ815Б, который по сути состоит из таких же кремниевых диодов пропускает через коллектор-эмиттер электрический ток, а два диода, спаянных также, не работают как транзистор? Где же зарыта собака?

А вы знаете, как в транзисторе расположены эти “диоды”? Если учесть, что N полупроводник – это хлеб, а тонкий слой ветчины – это P полупроводник, то в транзисторе они располагаются примерно вот так (на салат не смотрим):

Дело все в том, что база в транзисторе по ширине очень тонкая, как эта ветчина, а коллектор и эмиттер по ширине как эти половинки хлеба (немного преувеличиваю конечно, они чуть меньше), поэтому, транзистор, ведет себя как транзистор :-), то есть открывается и пропускает ток через коллектор-эмиттер.

Благодаря тому, что база очень тонкая по ширине, значит два P-N перехода находятся на очень маленьком расстоянии друг от друга и между ними происходит взаимодействие. Это взаимодействие называется транзисторным эффектом. А какой может быть транзисторный эффект между диодами, у которых расстояние между двумя P-N переходами как до Луны?