17) Полупроводниковая структура и принцип работы биполярного транзистора вах.

Биполярные транзисторы

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы, работа которых базируется на явлениях инжекции неосновных носителей заряда через р-п-переходы и экстракции этих носителей заряда.В своей полупроводниковой структуре они содержат два или более взаимодействующих электрических р-п-переходов и, соответственно, три или более внешних выводов.

При подключении к электродам транзистора напряжений UЭБ1 и UKБ1 эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный  в обратном. В результате снижения потенциального барьера через р-п-переход происходит инжекция основных носителей (электронов из слоя с п- типом проводимости и дырок – из р-слоя)

Обычно уровни легирования эмиттерного и коллекторного областей полупроводниковой структуры транзистора делают значительно более высокими, чем уровень легирования базы. По этой причине в транзисторах со структурой р-п-р дырочный поток носителей заряда через эмиттерный р-п-переход преобладает над электронным. В п-р-п-транзисторах – наоборот. Этот факт дает возможность в первом приближении пренебрегать той частью тока, протекающего через эмиттерный р-п-переход, которая связана с основными носителями в базе.

18) Биполярные транзисторы

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы, работа которых базируется на явлениях инжекции неосновных носителей заряда через р-п-переходы и экстракции этих носителей заряда.

Статические характеристики биполярного транзистора

Статическими характеристиками называются зависимости между входными и выходными токами и напряжениями транзистора при отсутствии нагрузки. Каждая из схем включения транзистора характеризуется четырьмя семействами статических характеристик:

1. Входные характеристики – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянстве напряжения на выходе:

;

(3.22)

2. Выходные характеристики – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при фиксированном значении входного тока:

;

(3.23)

3. Характеристика обратной связи по напряжению:

;

(3.24)

4. Характеристика передачи по току:

.

(3.25)

Наиболее часто на практике используют входные и выходные характеристики, которые обычно приводятся в справочной литературе и представляют собой усредненные зависимости большого числа однотипных транзисторов. Две последние характеристики применяют реже и, к тому же, они могут быть построены из входных и выходных характеристик.

19) Модели биполярного транзистора

Наиболее известной моделью биполярного транзистора является модель Эберса-Молла. Простейший вариант этой модели, называемый инжекционным, показан на рис. 3.

На рис. 3 a – коэффициент передачи тока эмиттера в активном режиме, – коэффициент передачи коллекторного тока в инверсном режиме.

Модель Эберса-Молла позволяет анализировать биполярный транзистор влюбом из четырех режимов: активном, насыщения, инверсном и отсечки.Чтобы показать это, запишем уравнения для токов эмиттера, базы и коллектора. Для схемы на рис. 3 справедливы уравнения

Токи диодов в схеме на рис. 3:

Подставляя последние равенства в уравнения (1) – (3), получимвыражения для токов электродов транзистора:

20) Биполярный транзистор можно представить в виде четырехполюсника.Эта замена производится в соответствии с тем, как выглядит система линейных уравнений, приближенно описывающих электрические свойства транзистора. Для биполярных транзисторов чаще всего используется система H-параметров. В этом случае вводится схема замещения транзистора, показанная на рис. 5.9.

Физический смысл входящих в систему параметров определяется равенствами, определенными из системы (1) при предельных условиях:

Из вида равенств (6) следует, что h11 представляет собой входное сопротивление

четырехполюсника, определенное при коротком замыкании на его выходе. Параметр h_{12 -} является коэффициентом обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе

четырехполюсника, h₂₁- является коэффициентом передачи по току, определенным при

коротком замыкании на его выходе, а h₂₂ - выходным сопротивлением четырехполюсника при холостом ходе на его входе.

21) Выбор рабочей точки биполярного транзистора

При выборе рабочей точки транзистора прежде всего необходимо рассматривать постоянную составляющую токов и напряжений в цепях транзистора. Положение рабочей точки определяется на двух плоскостях, являющихся пространствами представления выходных и входных ВАХ транзистора.

1) В первую очередь рабочую точку следует задать на плоскости {UКЭ, IК}. Эта

плоскость образуется осью напряжений между коллектором и эмиттером транзистора

(UКЭ) и осью токов коллектора (IК). На ней представляется семейство выходных ВАХ и

строится нагрузочная прямая.

В случае сильного сигнала наиболее целесообразным является такое положение нагрузочной прямой, при котором она проходит через точку максимального изгиба

верхней ветви семейства выходных ВАХ транзистора.

22) Схема включения биполярного транзистора с общей базой.

Схемы включения транзисторов получили своё название в зависимости от того, какой из выводов транзисторов будет являться общим для входной и выходной цепи. Схема включения транзистора с общей базой приведена на рис. 1.4.

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями: ·     коэффициент усиления по току Iвых / Iвх (для схемы с общей базой Iвых / Iвх = IК / IЭ = a); ·     входное сопротивление RвхБ  =  = Uвх / Iвх = UБЭ / IЭ. Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора. Эта схема имеет следующие недостатки: она не усиливает ток (a < 1), имеет малое входное сопротивление, и для ее питания требуется два разных источника напряжения. Но в то же время такая схема имеет хорошие температурные и частотные свойства.

23) Схема включения с общим эмиттером

Эта схема, изображенная на рис. 1.5, является наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности. Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы . Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц. Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база – эмиттер UБЭ, а выходным – переменное напряжение на резисторе нагрузки RН или, что то же самое, между коллектором и эмиттером – UКЭ.

24) В схеме с ОК коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е_Б и Е_Э всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, то есть очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база – эмиттер U_БЭ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз (так же, как и в схеме ОЭ), но весь каскад не даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам. Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между U_вых и U_вх нет. Значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем и изображают схему так, как показано на рис. 1.7.

Рис. 1.6. Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором.

25)