Выходные вах биполярного транзистора

Входные ВАХ транзистора с общей базой:

Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p – n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения u_КБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения u_КБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения u_БЭ при неизменном входном токе.

Выходные ВАХ транзистора с общей базой:

Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при u_КБ 0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора I_К0, то есть график ВАХ, соответствующий i_Э = 0, практически сливается с осью напряжений.

8. Биполярные транзисторы, вах транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

Входные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Выходные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Проанализируем, почему малые изменения тока базы I_бвызывают значительные изменения коллекторного тока I_к. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.

9. Особенности применения полевых и биполярных транзисторов. Схема Дарлингтона:

Особенности применения полевых транзисторов:

Есть область, для которой полевые транзисторы подходят практически идеально. Это силовые устройства, где необходимо замыкать и размыкать силовые цепи постоянного тока. Это импульсные источники питания, регуляторы мощности потребителей постоянного тока, автоматика.

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор – исток и затвор – сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет, и у полевого транзистора появляются конкуренты, например, биполярные. Но есть еще одно ключевое преимущество – отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. Этот эффект проявляется в том, что по мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. С одной стороны это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно, без всякого нашего участия. С другой стороны цельный мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные (такие полосочки токопроводящего канала полевика). Сила тока в этих полосочках при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах. Например, биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. Итак до прогорания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.

Особенности применения биполярных транзисторов:

Основная области применения Биполярных транзисторов, как дискретных, так и в составе ИС,— генерирование, усиление или преобразование электрических сигналов. К оснновным параметрам Биполярных транзисторов относят коэффициент передачи по току (от нескольких единиц до нескольких сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8—10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэффициент шума (в малошумящих Б. т. 1,5—2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор — база (коллектор — эмиттер) и эмиттер — база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Биполярных транзисторах лежат в пределах от десятков мкА до сотен А, напряжений коллектора — от нескольких В (в ИС) до нескольких кВ, допустимая мощность рассеяния — от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.

В Биполярном транзисторе режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Биполярного транзистора находится в активном режиме, или режиме усиления, а при обратном смещении — в режиме отсечки. При прямом смещении на обоих переходах Биполярного транзистора находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Биполярного транзистора в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, которые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора. Базовый ток во много раз меньше эмиттерного (и коллекторного токов и равен их разности. Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют количество неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, т. е. протекающий через Биполярный транзистор ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через транзистор также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых транзисторов около 0,6 В; для германиевых — около 0,3 В).

Если соединить транзисторы, как показано на рисунке, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Составной транзистор Дарлингтона.

Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона:

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора включают резистор. Резистор R предотвращает смещение транзистора в область проводимости за счет токов утечки транзисторов. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Входные ВАХ транзистора с общей базой:

Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p – n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения u_КБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения u_КБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения u_БЭ при неизменном входном токе.

Выходные ВАХ транзистора с общей базой:

Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при u_КБ 0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора I_К0, то есть график ВАХ, соответствующий i_Э = 0, практически сливается с осью напряжений.

8. Биполярные транзисторы, вах транзистора включенного по схеме с общим эмиттером:

Входные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Выходные ВАХ транзистора с общим эмиттером:

Проанализируем, почему малые изменения тока базы I_бвызывают значительные изменения коллекторного тока I_к. Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.

9. Особенности применения полевых и биполярных транзисторов. Схема Дарлингтона:

Особенности применения полевых транзисторов:

Есть область, для которой полевые транзисторы подходят практически идеально. Это силовые устройства, где необходимо замыкать и размыкать силовые цепи постоянного тока. Это импульсные источники питания, регуляторы мощности потребителей постоянного тока, автоматика.

Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление постоянному току, что является неоспоримым преимуществом при относительно редком переключении. Расход энергии на управление полевиком в этом случае минимален. Если переключаться надо часто, то в дело вступают емкости затвор – исток и затвор – сток. На их зарядку нужно тратить энергию. Так что по мере роста частоты переключений расход энергии растет, и у полевого транзистора появляются конкуренты, например, биполярные. Но есть еще одно ключевое преимущество – отрицательный температурный коэффициент при большом токе нагрузки. Этот эффект проявляется в том, что по мере нагрева при большом токе стока сопротивление полевого транзистора нарастает. С одной стороны это позволяет соединять полевые транзисторы параллельно без всяких проблем. Токи в них быстро выравниваются самостоятельно, без всякого нашего участия. С другой стороны цельный мощный полевой транзистор можно представить, как соединенные параллельно маломощные (такие полосочки токопроводящего канала полевика). Сила тока в этих полосочках при прогреве выравнивается, так что полевой транзистор проводит ток по всему сечению канала равномерно. Это обуславливает способность полевых транзисторов работать при больших токах. Например, биполярный транзистор имеет положительный температурный коэффициент. Если в какой-то части кристалла появляется большая проводимость, чем вокруг, то это место прогревается сильнее, туда устремляется все больший ток. Итак до прогорания.

Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять полевой транзистор к схеме, предварительно закоротив его выводы.

Особенности применения биполярных транзисторов:

Основная области применения Биполярных транзисторов, как дискретных, так и в составе ИС,— генерирование, усиление или преобразование электрических сигналов. К оснновным параметрам Биполярных транзисторов относят коэффициент передачи по току (от нескольких единиц до нескольких сотен), граничную частоту (от сотен кГц до 8—10 ГГц), отдаваемую мощность (от мВт до сотен Вт), коэффициент шума (в малошумящих Б. т. 1,5—2,0 дБ), время переключения (от сотен пс для транзисторов-элементов СБИС до десятков мкс), а также предельные параметры эксплуатации: максимально допустимые значения напряжений коллектор — база (коллектор — эмиттер) и эмиттер — база, тока коллектора, допустимой мощности рассеяния. Максимально допустимые значения токов в Биполярных транзисторах лежат в пределах от десятков мкА до сотен А, напряжений коллектора — от нескольких В (в ИС) до нескольких кВ, допустимая мощность рассеяния — от единиц мкВт (в составе ИС) до 1 кВт и более.

В Биполярном транзисторе режим работы определяется полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному переходам. Если к выводам коллектора и базы или коллектора и эмиттера прикладывают напряжение такой полярности, что коллекторный переход смещается в обратном направлении, то при прямом смещении на эмиттерном переходе Биполярного транзистора находится в активном режиме, или режиме усиления, а при обратном смещении — в режиме отсечки. При прямом смещении на обоих переходах Биполярного транзистора находится в режиме насыщения. В активном режиме из эмиттерной области Биполярного транзистора в базовую область инжектируются неосновные носители заряда, которые, частично рекомбинируя, переносятся к коллекторному переходу и через коллекторную область попадают в коллекторный вывод, образуя ток коллектора. Базовый ток во много раз меньше эмиттерного (и коллекторного токов и равен их разности. Напряжением, прикладываемым к эмиттерному переходу, регулируют количество неосновных носителей заряда, инжектируемых в базовую область, т. е. протекающий через Биполярный транзистор ток. При прямом смещении эмиттерного перехода токи через транзистор также могут сохранять малые значения, пока приложенное напряжение не превышает порогового значения (для кремниевых транзисторов около 0,6 В; для германиевых — около 0,3 В).

Если соединить транзисторы, как показано на рисунке, то полученная схема будет работать как один транзистор, причем его коэффициент будет равен произведению коэффициентов составляющих транзисторов. Этот прием полезен для схем, работающих с большими токами (например, для стабилизаторов напряжения или выходных каскадов усилителей мощности) или для входных каскадов усилителей, если необходимо обеспечить большой входной импеданс.

Составной транзистор Дарлингтона.

Повышение скорости выключения в составном транзисторе Дарлингтона:

В транзисторе Дарлингтона падение напряжения между базой и эмиттером в два раза больше обычного, а напряжение насыщения равно по крайней мере падению напряжения на диоде (так как потенциал эмиттера транзистора должен превышать потенциал эмиттера транзистора на величину падения напряжения на диоде). Кроме того, соединенные таким образом транзисторы ведут себя как один транзистор с достаточно малым быстродействием, так как транзистор не может быстро выключить транзистор . С учетом этого свойства обычно между базой и эмиттером транзистора включают резистор. Резистор R предотвращает смещение транзистора в область проводимости за счет токов утечки транзисторов. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки (измеряемые в наноамперах для малосигнальных транзисторов и в сотнях микроампер для мощных транзисторов) создавали на нем падение напряжения, не превышающее падения напряжения на диоде, и вместе с тем, чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора. Обычно сопротивление R составляет несколько сотен ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько тысяч ом в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

Рассмотрим транзистор, включенный по схеме, представленной на рис. 6.

Эта схема получила название «схема с общим эмиттером» (ОЭ), так как эмиттер является общим во входной и выходной цепях.

Рис. 6 – Схема с общим эмиттером

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер Uбэ и ток базы Iб , а выходными – напряжение коллектор-эмиттер Uкэ и ток коллектора Iк .

Входная характеристика биполярного транзистора – это зависимость тока базы Iб от напряжения база-эмиттер Uбэ при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер Uкэ:Iб = f(Uбэ )Uкэ = const .

ЕслиUкэ = 0 то поскольку база-эмиттерный переход смещён в прямом направлении – входная характеристика похожа на прямую ветвь ВАХ диода (рис.7).

Рис. 7 – Входная характеристика биполярного транзистора

При этом ток эмиттера и напряжение база-эмиттер связаны экспоненциальной зависимостью, описывающей вольтамперную характеристику диода, смещенного в прямом направлении

, (3)

где — обратный ток база-эмиттерного перехода, – температурный потенциал.

При Uкэ>0 возникает тепловой ток через закрытый база-коллекторный переход, который направлен встречно Iб, что вызывает смещение входной характеристики транзистора вправо и вниз.

Учитывая (1), получаем связь между током коллектора и напряжением база-эмиттер

(4)

Из (4) следует, что в активном режиме ток коллектора зависит от напряжения Uбэ и не должен зависеть от Uкэ.

По входной характеристике можно рассчитать дифференциальное сопротивление база-эмиттерного перехода , величина которого существенно зависит от I_Б.

Выходная характеристика биполярного транзистора показана на рис. 8.

Рис. 8– Выходная характеристика биполярного транзистора

В активном режиме ток коллектора практически не зависит от напряжения на коллекторе, так как практически все заряды, выходящие из эмиттера попадают в коллектор. В активном режиме ток коллектора в основном зависит от тока базы.

Незначительный наклон выходных характеристик связан с уменьшением толщины базы при росте Uэк, что в свою очередь уменьшает количество рекомбинаций зарядов в базе и соответственно ток через база-эмиттерный переход.

Область отсечки лежит ниже кривой Iб = 0. В области насыщения величина напряжения Uкэ столь мала, что становится недостаточной для создания обратного смещения на коллекторном переходе. В режиме насыщения ток коллектора не зависит от тока базы, и все ветви выходной характеристики сливаются в одну.

На рис. 9 показана характеристика прямой передачи транзистора по току, для схемы с общим эмиттером, которая представляет собой связь между входным и выходным токами при U_КЭ = const.

Рис. 9 –Характеристика прямой передачи транзистора по току

По характеристике прямой передачи транзистора по току можно определить коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ.

Для использования биполярного транзистора в качестве усилителя в цепь коллектора подключается сопротивление Rк (рис. 10), величина напряжения на котором зависит от тока коллектора .

Выходное напряжение усилителя .

Рис. 10 – Усилитель на биполярном транзисторе

Для обеспечения работы усилителя в линейном режиме необходимо выбрать начальную рабочую точку на выходной характеристике, при помощи построения нагрузочной прямой. Нагрузочная прямая проводится через точки Eк/Rк на оси коллекторных токов и Ек на оси коллекторных напряжений.

Точки пересечений нагрузочной прямой с выходными характеристиками показывают выходные напряжения при различных токах базы (рис. 11).

Рис. 11 – Выбор начальной рабочей точки

Обычно начальная рабочая точка выбирается посередине отрезка нагрузочной прямой между областью насыщения и областью отсечки, что позволяет получить максимальную амплитуду изменений U_вых.

После выбора начальной рабочей точки по выходной характеристике можно определить начальный ток базы Iб нач., по которому при помощи входной характеристики найти начальную величину Uбэ.

Для установки начальной рабочей точки обычно используют источник питания Eк и делитель напряжения. Следует учитывать, что входные характеристики существенно зависят от температуры P-N-перехода, при ее изменении начальная рабочая точка может сдвигаться. Необходимо принимать меры по температурной стабилизации рабочей точки.

Коэффициент усиления по напряжению в схеме, показанной на рис.10 можно определить по формуле , коэффициент усиления по току по формуле .

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (рис.12) представляет собой кристалл полупроводника, очень слабо легированного примесью (на рисунке – акцепторной), что обуславливает его малую проводимость (в данном случае P-типа). В кристалле создана область с противоположной проводимостью, образующая с основной частью кристалла –N-P-переход. От противоположных концов области сделаны выводы: исток (И) и сток (С). От N-области третий вывод-затвор (3).

Рис. 12 –Полевой транзистор с P-N-переходом

Если напряжение на затворе относительно истока Uзи=0, вблизи P-N-перехода образуется обедненная зона (её граница в P-области показана штриховой линией). При подаче на сток напряжение относительно истока через область пойдет ток. В обедненной зоне основные носители отсутствуют, поэтому проводящим будет канал в P-области сечением, лежащий за пределами обедненной зоны.

Из теории P-N-перехода известно, что приложение к нему обратного (запирающего) напряжения приводит к расширению обедненной зоны и, следовательно, к уменьшению проводящего сечения канала. Его сопротивление возрастает, ток уменьшается. При увеличении до некоторого Uзи называемого напряжением отсечки, проводящее сечение станет равным нулю, ток практически прекратится. Таким образом, изменяя Uзи можно управлять Ic.

Подача прямого напряжения на P-N-переход полевого транзистора не применяется, так как при прямых Uзи>0,1 В, возникает значительный ток затвора и транзистор выходит из строя.

Полевой транзистор с P-N-переходом работает при обратном напряжении, поэтому ток затвора чрезвычайно мал (порядка 10нА), а входное сопротивление, в отличие от биполярных транзисторов, очень велико.

Полевые транзисторы изготавливаются из кремния, так как невозможно получить германиевый кристалл с достаточно большим сопротивлением. Полевые транзисторы могут быть как с P-каналом, так и с N-каналом. Для последних, полярность питающих напряжений – противоположная. Условные обозначения на принципиальных схемах показаны на рис.13

Рис. 13 –Условные обозначения полевых транзисторов с P-N-переходом

|	следующая лекция ==>
Устройство и принцип действия биполярного транзистора	|	ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ c изолированным затвором

Дата добавления: 2018-10-18 ; просмотров: 851 | Нарушение авторских прав