Электроника_Книга (Электроника), страница 7

В зависимости от того, какие носители заряда в БТ играют главную роль, их различают на прямые (тип p–n–p),где главными являются дырки, и обратные (тип n–p–n), где главными являются электроны. Структурные схемы этих транзисторов приведены на рисунке 3.1, а и в.абвгРисунок 3.1– Структурные схемы (а, в) и условные обозначения (б, г)транзисторов p–n–p (а, б) и n–p–n (в, г)Выводы или электроды БТ называются эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К). Они служат для подключения транзистора во внешнююцепь. Области, к которым подключены эти электроды, также носятэти названия.

Область эмиттера (emitter – излучатель, испускатель,вбрасыватель) служит для испускания основных носителей заряда.Область базы (base – основа, основание) – для регулирования потокаосновных носителей. Область коллектора (collector – собиратель) –для приема основных носителей.Исходя из вышесказанного, по первому закону Кирхгофа для токов БТ можно записать следующее выражение42IЭ = IK + IБ.(3.1)На рисунке 3.1, б и г приведены условные графические и буквенные обозначения БТ. Стрелка в обозначении БТ показывает эмиттер, а ее направление – в какую сторону течет ток эмиттера.

Зная этои пользуясь (3.1), можно легко определить направления токов в электродах транзистора, которые также показаны на рисунках 3.1, б и г.Переходы jЭ и jК называются, соответственно, эмиттерным и коллекторным переходами.Для работы БТ между его электродами включаются источникинапряжения, полярность которых такова, что на переход jЭ подается напряжение в прямом направлении («+» на p-область, «–» наn-область), а на переход jК – в обратном («–» на p-область, «+» наn-область).Так как p–n переход в прямом направлении имеет низкое сопротивление, то к переходу jЭ достаточно приложить небольшое напряжение (доли и единицы вольт). В обратном направлении сопротивление p–n перехода достаточно велико.

Поэтому на переход jК можноподавать достаточно большое напряжение (десятки и сотни вольт).Как мы увидим в дальнейшем, чем больше разница между напряжениями, приложенными к переходам jЭ и jК, тем больше коэффициент усиления транзистора по напряжению.3.3 Принцип работы биполярных транзисторовДля более полного понимания принципа работы БТ отметим следующие особенности его конструкции:1) ширина базы в БТ (bВ на рисунке 3.2, а) выполняется в сотнираз меньше ширины эмиттера и составляет единицы микрон, а размеры коллектора несколько больше, чем эмиттера;2) концентрация атомов примеси в базе (электронов в p–n–p илидырок в n–p–n) и концентрация атомов примеси в коллекторе (дырок в p–n–p или электронов в n–p–n) по сравнению с концентрацией атомов примеси в эмиттере (дырок в p–n–p или электронов в np–n) в несколько раз ниже.Рассмотрим принцип работы и физические процессы, происходящие в БТ типа p–n–p, схема включения которого приведена нарисунке 3.2.43Переход jЭ смещен в прямом направлении источником напряжения ЕЭБ, а переход jК – в обратном источником ЕК.

Причем ЕК >> ЕЭБ.Рассмотрим случай, когда выключатель SA отключен (рисунок 3.2, а).По переходу jЭ ток не потечет, так как цепь эмиттер–база разомкнута. К переходу jК приложено обратное напряжение, и ток по цепибаза–коллектор будет очень мал, так как он обусловлен неосновными носителями зарядов (дырками в базе и электронами в коллекторе). Этот ток называется обратным током коллектора IК0. По самомуБТ в направлении эмиттер–база–коллектор ток не потечет, а сопротивление его будет близко к бесконечности. В этом случае говорят,что «транзистор закрыт».Теперь рассмотрим случай, когда выключатель SA включен (рисунок 3.2, б). В этом случае к переходу jЭ прикладывается прямое напряжение, и ток через него будет обеспечиваться основными носителями: дырки будут поступать из эмиттера в базу, а электроны, которыхзначительно меньше, – из базы в эмиттер.абРисунок 3.2 – Принцип работы транзистора p–n–pКаждая дырка, попав в базу, может двигаться по двум направлениям.

Первое – под действием напряжения ЕЭБ составить ток базыIБ, рекомбинировав с электроном (нижняя дырка на рисунке 3.2, б).Второе – под действием напряжения ЕК перейти в коллектор и составить ток коллектора IК (две верхние дырки на рисунке 3.2, б).Второе направление для дырок наиболее вероятно по следующим причинам:441) положительно заряженная частица дырка (например, та,которая показана на рисунке 3.2, б пунктиром), из эмиттера(р-полупроводник, дырка в нем основной носитель) перейдя в базу(n-полупроводник), будет являться неосновным носителем, и поэтому для нее переход jК, к которому приложено обратное напряжение,открыт;2) ширина базы в сотни раз меньше ширины эмиттера, что снижает вероятность рекомбинации ее с электроном;3) концентрация атомов примеси в базе значительно ниже концентрации атомов примеси в эмиттере, что также снижает вероятность встречи на пути движения дырки свободного электрона;4) ЕК >> ЕЭБ, поэтому притяжение положительно заряженной частицы дырки к «–» коллекторного источника ЕК будет в 10 … 100 разбольше, чем к «–» эмиттерного ЕЭБ; эта причина является определяющей в выборе дыркой направления движения.Поэтому значительно большая часть дырок (90 … 99 %) перейдетв коллектор и составит токи IК, а остальные (1 … 10 %) – ток IБ.

Поэтому, в соответствии с (3.1), можно записатьIK = (0,9 … 0,99)IЭ;IБ = (0,01 … 0,1)IЭ.Большие размеры коллектора и низкая концентрация в нем основных носителей (в данном случае дырок) также будут способствоватьсвободному проходу дырок эмиттера сквозь эту область.Таким образом, по БТ (рисунок 3.2, б) в направлении эмиттер–база–коллектор потечет ток, который будут составлять дырки, испускаемые эмиттером, проходящие через базу и поступающие в коллектор. В этом случае говорят, что «транзистор открывается», так каксопротивление его существенно снижается.Если увеличивать или уменьшать напряжение между эмиттероми базой, то увеличится или уменьшится число дырок, поступающихв базу и далее в коллектор.

Сопротивление БТ при этом соответственно увеличивается или уменьшается.Таким образом, изменяя в небольших пределах напряжение, подаваемое на переход jЭ , можно в большом диапазоне менять ток коллектора IК . И если включить в цепь коллектора сопротивление нагрузки,то на нем можно получить значительные колебания напряжения.Из вышесказанного можно сделать вывод, что в открытом БТ типаp–n–p протекают следующие токи: ток коллектора IК, который обусловлен дырками, вылетевшими из эмиттера, и ток базы IБ, которыйопределяется дырками эмиттера и электронами базы.

Так как IК >> IБ,главными носителями в транзисторах типа p–n–p являются дырки.45Работа БТ типа n–p–n аналогична работе транзистора типа p–n–p.Для изучения принципа его работы необходимо на рисунке 3.2 изменить структуру транзистора на противоположную и поменять полярность источников. В БТ типа n–p–n главными носителями являются испускаемые эмиттером электроны.Как было показано в подразделе 1.2, движение дырок есть эстафетное (скачками) движение электронов. Поэтому свободные электроны движутся быстрее дырок, и, следовательно, БТ типа n–p–n являются более высокочастотными, чем транзисторы типа p–n–p.3.4 Схемы включения транзисторовРазличают три схемы включения БТ, в которых усилительныесвойства транзисторов проявляются по разному:1) с общей базой (ОБ) – рисунок 3.3, а;2) с общим эмиттером (ОЭ) – рисунок 3.3, б;3) с общим коллектором (ОК) – рисунок 3.3, в.На этих схемах обозначено: ui – напряжение входного источника, которое необходимо усилить; ZН – полное сопротивление нагрузки.Термин «общий» означает, что данный электрод принадлежит каквходной, так и выходной цепи.

Например, для схемы с ОБ входной цепью является: ui , эмиттер VT, база VT, «–» ЕЭБ, «+» ЕЭБ, а выходной –:«+» ЕК , база VT, коллектор VT, ZН , «–» ЕК.абвРисунок 3.3 – Схемы включения транзисторов с ОБ (а), с ОЭ (б) и ОК (в)46Входным током IВХ называется ток, протекающий по источникувходного сигнала ui.Выходным током IВЫХ называется ток, протекающий по нагрузке ZН .Входным напряжением UВХ называется напряжение, которое прикладывается между входным и общим электродами.Выходным напряжением UВЫХ называется напряжение, которое возникает между выходным и общим электродами.Например, для схемы с ОК: IВХ=IБ, IВЫХ=IЭ, UВХ=UБК, UВЫХ=UЭК.Некоторые сравнительные данные схем включения БТ между собой приведены в таблице 3.1. Наибольшее применение в техническихустройствах получила схема с ОЭ.Таблица 3.1 – Некоторые параметры схем включениятранзисторовПараметрКоэффициент усиления по току kIКоэффициент усиления по напряжению kUКоэффициент усиления по мощности kPВходное сопротивление RВХ, ОмВыходное сопротивление RВЫХ, ОмФазовый сдвиг между uВХ и uВЫХ, эл.ОСхема ОБ0,9 … 0,9910 … 10010 … 1001 … 10105 … 10 60Схема ОЭ10 … 10010 … 100102 … 10 4102 … 103103 … 10 4180Схема ОК10 …1000,9 … 0,9910 … 10010 4 … 105102 … 10303.5 Статические входные и выходные характеристики(СХ)При определении параметров БТ, а также для расчета схем усилителей применяют статические характеристики, которые устанавливают функциональную связь между постоянными напряжениямии токами, замеренными, соответственно, между электродамии в электродах транзистора.