Режимы работы биполярных транзисторов

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода (оба р-n- перехода закрыты).

Если же на обоих переходах напряжение прямое (оба р-n- перехода открыты), то транзистор работает в режиме насыщения.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы (усиление, генерирование и т.п.).

Область применения

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и широко применяются в различных усилителях, генераторах, в импульсных и ключевых устройствах.

9. Схема замещения биполярного транзистора и h-параметры.

Для расчета малосигнального режима в электронной цепи, в котором рассматриваются только переменные составляющие токов и напряжений, используются схемы замещения транзистора. В области низких и средних частот описание транзистора системой гибридных уравнений приводит к резистивной схеме рис. 1, а. Распространена также одногенераторная схема (рис. 1, б). Параметры первой схемы непосредственно выражаются через H-параметры транзистора.

рис.1

Определим связи между параметрами одногенераторной схемы и гибридными параметрами, рассматривая режим короткого замыкания на выходе ( ) в схеме рис. 1, б. Входное напряжение складывается из суммы падений напряжения на R_б и параллельно включенных R_э и R_к. Сумма токов, протекающих в параллельных ветвях, равна (b + 1)İ₁, и поэтому

Так как при коротком замыкании на выходе из системы H-уравнений следует , то параметры обеих схем связаны соотношением, приведенным в табл. 1. Выходной ток İ₂ в рассматриваемом режиме определяется разностью

Отсюда следует, что      

.

Поэтому выходной ток при коротком замыкании на выходе ( ) равен или . Отсюда имеем соотношение для H₂₁ (см. табл. 1). Две другие связи определим из рассмотрения режима холостого хода на входе. В этом случае при İ₁ = 0 ток управляемого источника в схеме на рис. 1, б отсутствует, и она содержит только пассивные элементы. При питании цепи со стороны выходных зажимов ток İ₂ протекает через элементы R_к и R_э. Поэтому значение выходного тока равно , а на входе имеем напряжение, определяемое падением на R_э: .

Сопоставление полученных связей с H-уравнениями в режиме холостого хода на входе: ,  — дает возможность определить выражения для H₁₂ и H₂₂, приведенные в табл. 1.

H-параметры	Параметры одногенераторной схемы
	В общем случае	При H12 = 0
	Rэ = H12/H22 Rк = (1 – H12)/H22 b= (H21 + H12)/(1 – H12)	Rэ = 0 Rк = 1/H22 b= H21

Обратные соотношения, выражающие параметры одногенераторной схемы через H-параметры, найдем, разрешая систему первого столбца таблицы относительно R_б, R_э, R_к и b. Это дает результаты, приведенные во втором столбце таблицы.

При пренебрежении малым параметром H₁₂ все связи существенно упрощаются, и возможно отождествление отдельных параметров одногенераторной схемы с H-параметрами. Соответствующая схема замещения показана на рис. 2, а.

рис. 2

Учитывая соотношения между параметрами H₁₁<< 1/H₂₂, можно принять более простую модель транзистора с нулевой выходной проводимостью H₂₂ = 0 (рис. 2, б). В еще более приближенной модели отсутствует входное сопротивление (H₁₁ = 0). Такое идеализированное описание транзистора приводит его схему замещения к идеальному источнику тока, управляемому входным током (рис. 2, в).

10. Полевые транзисторы, принцип их работы.

Полевыми транзистораминазывают полупроводниковые приборы, в которых создание электрического тока обусловлено перемещением носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля, а управление выходным током основано на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем.

Принцип работы полевых транзисторов может быть основан:

- на зависимости сопротивления полупроводника от сечения его проводящей области (чем меньше сечение – тем меньше ток; реализован в полевых транзисторах с управляющим р-п-переходом);

- на зависимости проводимости полупроводника от концентрации основных носителей (реализован в полевых транзисторах с изолированным затвором структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы)).

Полевой транзистор с управляющим р-п-переходом(ПТУП) представляет собой тонкую полупроводниковую пластину с одним р-п-переходом и с невыпрямляющими контактами по краям. Электропроводность материала пластины может быть п-типа или р-типа. В качестве примера рассмотрим транзистор, у которого основная пластина состоит из полупроводника n-типа (рисунок 1).

Рисунок 1 – Структура полевого транзистора с управляющим р-п-переходом

Основными областями в структуре полевого транзистора с управляющим р-п-переходомявляются:

- область истока – область, от которой начинают перемещение носители зарядов;

- область стока – область, к которой перемещаются носители;

- область затвора – область, с помощью которой осуществляется управление потоком носителей;

- область канала – область, через которую перемещаются носители.

Выводы от соответствующих областей транзистора имеют аналогичные названия: исток (И), сток (С) и затвор (3) (рисунок 1).

На рисунке 2 показаны условные графические обозначения полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом: с каналом п-типа (рисунок 2, а) и каналом р-типа (рисунок 2, б).

рис. 1 а, б

Рисунок 2 – УГО полевых транзисторов с управляющим р-п-переходом

Рассмотрим принцип функционирования ПТУП. Источники напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы между электродами стока и истока протекал электрический ток, а напряжение, приложенное к затвору, смещало электронно-дырочный переход в обратном направлении.

На рисунке 3 показан способ подключения источников напряжения к выводам ПТУП с каналом п-типа.

Рисунок 3 – Подключение источников напряжения к выводам ПТУП

Под действием напряжения источника Е_СИ электроны будут перемещаться от истока к стоку, обеспечивая во внешней цепи ток стока I_C.

Концентрации носителей зарядов в полупроводниковом материале канала и затвора выбраны таким образом, что при подаче обратносмещающего напряжения между затвором и истоком р-п-переход будет расширяться в область канала. Это приводит к уменьшению площади поперечного сечения проводящей части канала и, следовательно, к уменьшению тока стока I_C.

Сопротивление области, расположенной под электрическим переходом, в общем случае зависит от напряжения на затворе. Это обусловлено тем, что размеры перехода увеличиваются с повышением приложенного к нему обратного напряжения, а увеличение области, обедненной носителями заряда, приводит к повышению электрического сопротивления канала (и, соответственно, к уменьшению тока, протекающего в канале).

Таким образом, работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом основана на изменении сопротивления канала за счет изменения размеров области, обедненной основными носителями заряда,которое происходит под действием приложенного к затвору обратного напряжения.

Напряжение между затвором и истоком, при котором канал полностью перекрывается и ток стока достигает минимального значения (I_C » 0), называют напряжением отсечки (U_отс) полевого транзистора.

В отличие от ПТУП, у которых затвор имеет электрический контакт с каналом, в полевых транзисторах с изолированным затвором (ПТИЗ) затвор представляет собой тонкую пленку металла, изолированного от полупроводника. В зависимости от вида изоляции различают МДП- и МОП-транзисторы (соответственно, металл – диэлектрик – полупроводник и металл – оксид – полупроводник, например двуокись кремния SiO₂).

В исходном состоянии канал ПТИЗ может быть обеднен носителями зарядов или обогащен ими.

В зависимости от этого различают два типа полевых транзисторов с изолированным затвором: МДП-транзисторы со встроенным каналом (рисунок 4, а) (канал создается при изготовлении) и МДП-транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 4, б) (канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам).

В ПТИЗ имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор (рисунок 4), называемого подложкой.

а б  Рисунок 4 – Устройство полевых транзисторов с изолированным затвором

В ПТИЗ электроды стока и истока располагаются по обе стороны от затвора и имеют непосредственный контакт с полупроводниковым каналом.

Канал называется встроенным, если он изначально обогащен носителями заряда. В этом случае управляющее электрическое поле будет приводить к обеднению канала носителями зарядов.

 Если канал изначально обеднен носителями электрических зарядов, то он называется индуцированным.

При этом управляющее электрическое поле (между затвором и истоком) будет обогащать канал носителями электрических зарядов (то есть, повышать его проводимость).

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется п-каналом.

 Каналы с дырочной проводимостью называются р-каналами.

 В результате этого различают четыре типа полевых транзисторов с изолированным затвором: с каналом п- либо р-типов, каждый из которых может иметь индуцированный или встроенный канал. Условные графические обозначения названных типов полевых транзисторов представлены на рисунке 5.

Управляющее напряжение в ПТИЗ можно подавать как между затвором и подложкой, так и независимо на подложку и затвор. Рассмотрим в качестве примера принцип управления током в полевых транзисторах, структуры которых показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 – УГО полевых транзисторов с изолированным затвором

Если на затвор подать положительное напряжение, то под влиянием образующегося электрического поля у поверхности полупроводника (рисунок 5, б) появляется канал п-типа за счет отталкивания дырок от поверхности в глубь полупроводника.

 В транзисторе со встроенным каналом (рисунок 5, а) происходит расширение уже имеющегося канала при подаче положительного напряжения или сужение – при подаче отрицательного. Изменение управляющего напряжения меняет ширину канала и, соответственно, сопротивление и ток транзистора.

Существенным преимуществом ПТИЗ перед ПТУП является высокое входное сопротивление, достигающее значений 10¹⁰ – 10¹⁴ Ом (у транзисторов с управляющим р-п-переходом – 10⁷ – 10⁹ Ом).

Важным преимуществом полевых транзисторов перед биполярными является малое падение напряжения на них при коммутации слабых сигналов. Кроме этого следует выделить такие достоинства, как:

- высокое входное сопротивление;

- малые шумы;

- простота изготовления;

- отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора.

11. Тиристоры.

Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура, способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт - закрыт (управляемый диод).

Простейшим тиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p-n-p-n (рис. 1.1.2). Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние n-p-n-переходы называются эмиттерными, а средний p-n-переход – коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней p-областью – анодом.

В отличие от несимметричных тиристоров (динисторов, тринисторов) в симметричных тиристорах обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой ветви. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами (симисторы).

Рис. 1.1.1 Обозначения на схемах: а) симистора б) динистора в) тринистора.

Рис. 1.1.2 Структура динистора

Рис. 1.1.3 Структура тринистора.

Принцип действия

При включении динистора по схеме, приведенной на рис. 1.2.1, коллекторный p-n-переход закрыт, а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток (участок 1 на рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.1. Схема включения в цепь неуправляемого тиристора (динистора).

Рис. 1.2.2. Схема включения в цепь управляемого тиристора (тринистора).

Рис.1.2.3. Вольтамперная характеристика динистора.

Рис.1.2.4. Вольтамперная характеристика тиристора.

Если увеличивать напряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения Uвкл. При напряжении Uвкл в динисторе создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода. Происходит обратимый электрический пробой коллекторного перехода (участок 2 на рис. 1.2.3). В n-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в p-области - избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на резисторе возрастает и происходит переключение динистора.

После перехода коллекторного перехода в открытое состояние ВАХ имеет вид, соответствующий прямой ветви диода (участок 4). После переключения напряжение на динисторе снижается до 1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания или уменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока, как в обычной схеме с диодом при прямом включении.

При уменьшении напряжения источника питания восстанавливается высокое сопротивление коллекторного перехода. Время восстановления сопротивления этого перехода может составлять десятки микросекунд.

Напряжение Uвкл при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением не основных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к коллекторному переходу. Дополнительные носители заряда вводятся в тиристоре вспомогательным электродом, питаемым от независимого источника управляющего напряжения (Uупр). Тиристор со вспомогательным управляющим электродом называется триодным, или тринисторным. На практике при использовании термина «тиристор» подразумевается именно элемент. Схема включения такого тиристора показана на рис. 1.2.2. Возможность снижения напряжения U при росте тока управления, показывает семейство ВАХ (рис. 1.2.4).

Если к тиристору приложить напряжение питания, противоположной полярности (рис. 1.2.4), то эмиттерные переходы окажутся закрытыми. В этом случае ВАХ тиристора напоминает обратную ветвь характеристики обычного диода. При очень больших обратных напряжениях наблюдается необратимый пробой тиристора.

12. Усилительный каскад на биполярном транзисторе. Графический расчет каскада.

Усилительный каскад с общим эмиттером. Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах является каскад с общим эмиттером (каскад ОЭ). В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей, а резистор R_к (рис. 5.3), с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора.

Принцип работы. На коллекторе n-p-n транзистора относительно эмиттера через резистор R_к подают положительное напряжение источника питания (Uпит). Участок эмиттер – коллектор, резистор R_к и источника питания образует коллекторную цепь усилителя. Резистор R_к в этой цепи выполняет функцию нагрузки, на которой выделяется напряжение сигнала усиленного транзистором. На базу транзистора через резистор R_б подается положительное напряжение источника питания, называемое начальным напряжением смещения. При этом цепи база-эмиттер транзистора возникает ток (поскольку p-n включается в прямом направлении). Значение данного тока определяется напряжением источника питания и суммарным сопротивлением базового резистора и эмиттерного p-n перехода

,         (5.3)

Подбором резистора R_б на базе устанавливают такое напряжение смещения U_{база-эмиттер} при котором на коллекторе транзистора относительно эмиттера будет примерно половина напряжения источника питания. При этом транзистор открывается и в его коллекторной цепи возникает ток коллектора I_к, который во много раз больше тока в базовой цепи.

Для германиевых транзисторов, работающих в режиме усиления, начальное напряжение смещения обычно составляет 0,1-0,2 В, а для кремниевых 0,6-0,7 В.

Без начального напряжения смещения на базе транзистор будет искажать усиливаемый сигнал. Пока сигнала на входе усилителя нет, на базе транзистора действует только напряжение смещения, открывающее транзистор. В это время в коллекторной цепи течет ток покоя I_п.

Напряжение, действующее между коллектором и эмиттером (U_кэ), оказывается меньше чем напряжение источника питания. Назначение напряжения, выделяющегося на R_к

(5.4)

Сигнал U_вх, который надо усилить, подают на вход усилителя через связующий конденсатор С_св, а усиленный сигнал снимают с резистора R_к. С появление на входе усилителя сигнала U_вх напряжение на базе транзистора начинает изменяться, а именно, при положительных полупериодах входного сигнала оно становится более положительным, а при отрицательных - менее положительным. В результате соответственно изменяется и ток базы, текущий через эмиттерный переход транзистора, а также в значительной степени изменяется и ток в коллекторной цепи.

При этом на нагрузочном резисторе R_к выделяется переменное напряжение, которое во много раз больше входного напряжения входного сигнала. Напряжение U_кэ в этом случае будет в противофазе с входным напряжением и коллекторным током.

Данное напряжение через разделительный конденсатор С_раз, пропускающий только переменную составляющую, может быть подано на вход следующего каскада усиления.

Точно так же работает и усилитель на транзисторе p-n-p-типа, но в этом случае полярность напряжения источника питания должна быть обратной.

Усилительный каскад с общим коллектором.Схема усилительного каскада с общим коллектором (каскад ОК) приведена на рис. 5.11. В этом каскаде основной резистор, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь, а коллектор по переменной составляющей тока и напряжения соединен непосредственно с общей точкой усилителя, так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника коллекторного напряжения от переменной составляющей тока незначительно. Таким образом, можно считать, что входное напряжение подается между базой и коллектором через конденсатор С, а выходное напряжение, равное падению напряжения на резисторе R_э от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером и коллектором через конденсатор связи С_с.

В режиме покоя, т. е. при U_вх=0, резистор R_б создает начальный ток смещения в цепи базы. Его значение выбирают таким, чтобы рабочая точка в режиме покоя находилась примерно посередине линейного участка входной характеристики. При наличии переменного входного напряжения U_вх появляется переменная составляющая эмиттерного тока I_э, которая создает на резисторе R_э выходное напряжение U_вых=R_эI_э.

Эмиттерный повторитель обычно применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого напряжения с низкоомным нагрузочным устройством. В усилительных каскадах с общим коллектором температурная стабилизация обеспечивается основным резистором R_э, включенным в эмиттерную цепь.

Усилительный каскад с общей базой.Схема усилительного каскада с общей базой (каскад ОБ) приведена на рис. 5.13. В этом каскаде для создания оптимального тока базы в режиме покоя I_б0, обеспечивающего работу усилительного каскада на линейном участке входной характеристики, служат резисторы R¢_б и R¢¢_б. Конденсатор С_б имеет на частоте усиливаемого сигнала сопротивление, много меньшее R_б, и падение напряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэтому можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилительного каскада. Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и базой через конденсатор связи С_с.

Усилительный каскад с общей базой имеет примерно такой же коэффициент усиления по напряжению, как и в каскаде с общим эмиттером, но коэффициент усиления по току у него меньше единицы, так как выходным является коллекторный ток, а входным - эмиттерный ток, который несколько больше коллекторного тока. Таким образом, коэффициент усиления по мощности К_р=K_UK_I каскадов с общей базой значительно меньше, чем каскадов с общим эмиттером. Другие недостатки усилительных каскадов с общей базой - малое входное и сравнительно большое выходное сопротивления. Вследствие этого усилительный каскад с общей базой применяют очень редко.