Главная | Обратная связь

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

2.1. ТЕОРИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА. СХЕМА С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

Слово транзистор (англ. Transformer of resistor) означает - преобразователь сопротивления. Транзистор представляет собой полупроводниковую p-n-p или n-p-n структуру с двумя p-n-переходами рис.2.1.

Коллекторные переходы транзисторов обоих типов включены обратно, что приводит к расширению запирающего слоя этих переходов и увеличению их сопротивления в области коллектора.

На эмиттерно-базовый переход подается прямое напряжение (рис.2.1. а и 2.1, б), что приводит к сужению запирающего слоя транзистора и снижению потенциального барьера. При напряжениях выше потенциального барьера сопротивление базово-эмиттерного перехода значительно падает, и основные носители зарядов инжектируют в базовую область. Происходит незначительная рекомбинация основных носителей в базовой области, так как концентрация свободных носителей в ней ниже, чем в эмиттере.

При одновременном включении источников напряжения Еэ и Ек происходят следующие процессы. Основные носители зарядов из эмиттерной области инжектируют в базовую область, но поскольку на базе имеется одноименный заряд с основными носителями зарядов, созданный батареей коллектора, и противоположный заряд на коллекторе транзистора, то основные носители зарядов экстрактируют в зону коллектора, которая, обогащаясь внесенными зарядами, становится проводящей. Сопротивление коллекторного перехода значительно падает, т.е. происходит преобразование большого сопротивления коллектора в маленькое. Изменяя ток участка база-эмиттер транзистора, можно управлять сопротивлением коллекторного перехода.

Исправность переходов транзистора легко проверить, рассмотрев схемы его аналогов на основе диодов. Проверку можно провести обычным авометром также, как производят проверку обычных диодов (рис.2.1, в и г).

Различают три способа включения транзистора в зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей по питанию.

Схемы на рис. 2.1, а и 2.1, б имеют общую базу для входной и выходной цепей, поэтому схему называют с общей базой (ОБ). Но транзисторы могут включаться в схемы с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

В схеме с ОБ входное сопротивление составляет несколько десятков Ом, а сопротивление коллекторного перехода составляет сотни кОм, поэтому в выходную цепь можно включать большое сопротивление нагрузки R_к >> R_вх.

Принципиального различия в работе схем рис. 2.1, а и 2.1, б нет. Разница лишь в том, что в первом случае основные носители зарядов дырки, а во втором – электроны.

 

2.2. ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

Для расчета электронных схем с использованием транзисторов необходимо знать индивидуальные особенности транзисторов, т.е. их входные и выходные характеристики. Для получения таких характеристик транзистор следует включить по одной из трех схем:

1) схема с общей базой - ОБ;

2) схема с общим эмиттером - ОЭ;

3) схема с общим коллектором - ОК.

Схема с ОЭ наиболее часто встречается в электронике. Рассмотрим ее работу и схему для снятия характеристик транзистора. Для исследования входной и выходной характеристики транзистора по схеме с ОЭ его подключают согласно схеме (рис. 2.3.)

Название схемы связано с тем, что эмиттер является общим по питанию для входной и выходной цепей. Входной цепью транзистора является база-эмиттер, а выходной коллектор-эмиттер.

Для снятия входной характеристики при U_кэ = const напряжение на участке коллектор-эмиттер поддерживают порядка 5 В. Изменяют напряжение между базой и эмиттером транзистора потенциометром R₁ , и следят за изменением тока базы. Поскольку этот участок представляет собой диод, то характеристика транзистора получается аналогичной ВАХ диода (рис. 2.4, а). На ней виден нелинейный характер изменения , что свидетельствует о наличии дифференциального сопротивления входной цепи. Рост прямого напряжения u_бэ приводит к уменьшению толщины запирающего слоя, а, следовательно, и к уменьшению дифференциального сопротивления . Дифференциальное входное сопротивление зависит от прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, т.е. . Найти дифференциальное сопротивление можно по формуле:

при U_кэ = const.

Обычно в справочниках по транзисторам приводятся параметры транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером. Среди наиболее часто используемых при расчетах их параметров следует отметить статический коэффициент передачи по току h_21э. Он определяется по семейству выходных характеристик транзистора (рис. 2.4, б). Коэффициент передачи по току показывает, во сколько раз изменение тока коллектора транзистора больше изменения тока базы при постоянном напряжении U_кэ. Для определения данного коэффициента проводится вертикальная линия через u₁ до пересечения кривых при i_б2 и i_б3. Из определения коэффициента передачи по току следует, что

при U_кэ = const и при заданных токах базы I_б – задано.

 

2.3. УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ

 

Униполярными или полевыми транзисторы называют потому, что управление током этого транзистора осуществляет электрическое поле, созданное перпендикулярно основному току транзистора. Это поле производит изменение проводимости канала транзистора за счет изменения ширины запирающего слоя.

Электроды такого транзистора имеют названия – исток (Source), затвор (Gate), сток (Drein). В полевых транзисторах имеется канал с началом – исток и с окончанием – сток. В зависимости от конструкции затвора полевые транзисторы делятся на две группы: с управляющим p-n-переходом; с изолированным затвором. Устройство полевого транзистора изображено на рис. 2.6. Здесь канал обогащен свободными зарядами, и управление его сопротивлением производится путем обеднения канала свободными зарядами.

Подадим между затвором и истоком обратное напряжение. Это приведет к росту толщины запирающего слоя (р-n-перехода). Увеличение толщины p-n-перехода уменьшает эффективную площадь канала, по которому течет ток. Ток между истоком и стоком падает. Можно получить такую толщину р-n-перехода, что канал практически будет перекрыт (серая линия), что приведет к прекращению тока в канале. Обратное напряжение исток-затвор, при котором ток канала прекращается, называется напряжением отсечки.

Проводимость канала может быть электронной или дырочной. Полевые транзисторы с изолированным затвором могут иметь индуцированный или встроенный канал.

При управлении работой полевого транзистора следует учитывать его режим работы. В режиме обеднения переход затвор-исток включают встречно напряжению, при режиме обогащения – наоборот. В основном применяют две схемы включения это с общим затвором (ОЗ) и общим истоком (ОИ). Реже применяется схема с общим стоком (ОС). Основным достоинством полевого транзистора является отсутствие p-n-перехода в зоне проводимости, что значительно снижает сопротивление канала транзистора и повышает его проводимость и быстродействие.

Для снятия основных характеристик полевого транзистора собирают схему, приведенную на рис. 2.8.

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора - зависимость при U_ис = const . Для снятия данной характеристики задаются напряжением ИС порядка 5 В, плавно изменяют напряжение между истоком и затвором и следят за изменением тока стока (рис. 2.9).

Для нахождения крутизны характеристики полевого транзистора выбирают область линейного участка стоко-затворной характеристики. Напряжению u_зи1 соответствует ток i_ст1 , а напряжению u_зи2 - ток i_ст2. Крутизна характеристики находится по формуле:

при U_ис = const.

Изменению напряжения от u_зи1 до u_зи2 соответствует изменение тока стока от i_ст1до i_ст2. Обычно в справочниках дается крутизна характеристики в мА/В, но при использовании в расчетах эту величину следует перевести в А/В. Чем круче характеристика транзистора, тем выше коэффициент усиления по напряжению.

Для снятия семейства выходных характеристик полевого транзистора при U_зи = const необходимо установить между затвором и истоком постоянное напряжение. Плавно изменяя напряжение между истоком и стоком, следить за изменением тока стока. Семейство таких характеристик представлено на рис. 2.10.

Для нахождения коэффициента усиления транзистора по напряжению - m необходимо провести вертикальную линию через u_ис1 (рис. 2.10) до пересечения с двумя произвольными кривыми u_зи3 и u_зи4. Коэффициент усиления по напряжению показывает, во сколько раз напряжение на затворе действует эффективнее изменения напряжения между истоком и стоком.

,

при постоянном токе стока I_ст = const.

Несложно доказать связь между параметрами S, m и R., т.е.

При работе с полевыми транзисторами с индуцированным каналом необходимо соблюдать меры предосторожности, т.к. они «боятся» статического напряжения.

 

2.4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (БТИЗ)

 

Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ) представляет собой сочетание биполярного и полевого транзистора. Наибольшее распространение получили транзисторы, в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительного биполярного транзистора.

При изготовлении полевых транзисторов с изолированным затвором образуется паразитный биполярный транзистор VT’ (рис. 2.11), который не находил практического применения.

R₁ – последовательное сопротивление канала транзистора. VT – полевой транзистор с изолированным затвором. R₂ – сопротивление резистора, шунтирующего переход база-эмиттер транзистора. VТ₁ – паразитный транзистор, не предусмотренный технологией изготовления полевого транзистора.

Структура транзистораБТИЗ аналогична структуре ПТИЗ, но дополнена еще одним р-n-переходом, благодаря которому в схеме появляется еще один р-n-р транзистор VТ₂.

Из рис. 2.12 видно глубокую положительную обратную связь транзисторов VТ₁ и VТ₂, так как ток базы транзистора VТ₁формируется током коллектора VТ₂, а ток коллектора VТ₂ формируется током базы VТ₁. Это обстоятельство позволяет получить у БТИЗ крутизну значительно большую, чем у обычных полевых транзисторов.

Данное обстоятельство позволяет резко снизить падение напряжения на канале открытого транзистора, а, следовательно, и повысить его ток стока. Крутизна характеристики таких транзисторов может достигать десятков ампер на вольт, в то время как у обычных полевых транзисторов крутизна составляет миллиамперы на вольт. БТИЗ имеют не только значительную крутизну характеристики, но и выдерживают значительные обратные напряжения коллектора. На рис 2.13. приведена выходная характеристика БТИЗ.

Такие транзисторы нашли широкое применение в современной силовой электронике, усилителях и преобразовательной технике. Токи современных БТИЗ достигают 1500 А при напряжениях до 2000В и незначительных габаритах транзисторов.

 

2.5. СТАТИЧЕСКИЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ТРАНЗИСТОР (СИТ)

Статический индукционный транзистор (СИТ) и биполярный статический индукционный транзистор (БСИТ) представляют собой полевой транзистор с управляющим р-n-переходом, который может работать как при обратном смещении затвора, так и при прямом. При прямом смещении на затворе транзистор работает как биполярный, а при отрицательном смещении (до 30В) работает как полевой транзистор, при этом рассасывание зарядов происходит значительно быстрее, нежели в биполярном транзисторе.

Cуществуют две разновидности СИТ. Первая называется просто СИТ и представляет собой нормально открытый прибор с управляющим р-n-переходом. В таком приборе при нулевом напряжении на затворе цепь сток–исток находится в проводящем состоянии. Управление таким транзистором происходит запирающим напряжением, прикладываемым на участке затвор – исток. Сопротивление канала такого транзистора ничтожно мало порядка 0.1 – 0.025 Ом.

СИТ обладает высоким быстродействием, и применяется в высокочастотной аппаратуре. Основной недостаток СИТ – наличие постоянно открытого канала, что затрудняет его использование в переключающих устройствах, где необходима его работа в режиме ключа. Лишен этого недостатка БСИТ – транзистор, в котором напряжение отсечки равно нулю.

БСИТ – транзисторы при отсутствии напряжения на затворе заперты, как и полевые транзисторы.

 

IGBT транзисторы