Самостоятельная нагрузка
1. Биполярныйтранзистор
Биполярныйтранзистор – трехэлектродный полупроводниковый прибор, один из типовтранзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоямполупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способучередования различают n-p-n и pnp транзисторы (n (negative) – электронный типпримесной проводимости, p (positive) – дырочный). В биполярном транзисторе, вотличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, идырки (от слова «би» – «два»). Схематическое устройство транзистора показано навтором рисунке.
Электрод,подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые квнешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различиямежду коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличиеколлектора – большая площадь p – n-перехода. Кроме того, для работы транзистораабсолютно необходима малая толщина базы.
Биполярныйточечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет онзарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральныхмикросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную идиодно-транзисторную логику.
Устройство ипринцип действия
/>
Упрощеннаясхема поперечного разреза биполярного NPN транзистора
Первыетранзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время ихизготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Последние транзисторы используютсяв схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трехразличным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B иколлектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN(эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор −n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящиеконтакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена изслаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общаяплощадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контактаколлектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида являетсянесимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключенияпоменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютноаналогичный исходному биполярный транзистор).
В активномрежиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён впрямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратномнаправлении. Для определённости рассмотрим n-p-n транзистор, все рассужденияповторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова«электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений напротивоположные по знаку. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители токав эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) вобласть базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями зарядав базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того чтобазу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая частьэлектронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора[1].Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного переходазахватывает электроны (напомним, что они – неосновные носители в базе, поэтомудля них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, такимобразом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери нарекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент б,связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = б Iэ) называется коэффициентомпередачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента б 0.9 – 0.999. Чембольше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициентмало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широкомдиапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы,коэффициент пропорциональности равен в = б / (1 − б) =(10..1000). Такимобразом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим токомколлектора.
/>
Простейшаянаглядная схема устройства транзистора
Переходэмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база – вобратном (закрыт)
UЭБ>0; UКБ
Инверсныйактивный режим
Эмиттерныйпереход имеет обратное включение, а коллекторный переход – прямое.
Режимнасыщения
Оба p-nперехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
Режим отсечки
В данномрежиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).
Барьерныйрежим
В данномрежиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или черезнебольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмитерную цепьтранзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В такомвключении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно срезистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующихсхему элементов, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочимдиапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.
/>
Обозначениебиполярных транзисторов на схемах
Основныепараметры:
– коэффициентпередачи по току;
– входноесопротивление;
– выходнаяпроводимость;
– обратныйток коллектор-эмиттер;
– времявключения;
– предельнаячастота коэффициента передачи тока базы.
Технологияизготовления транзисторов:
– эпитаксиально-планарная;
– сплавная;
– диффузионный;
– диффузионно-сплавной.
Применениетранзисторов
– усилители,каскады усиления;
– генератор;
– модулятор;
– демодулятор(Детектор);
– инверторМикросхемы на транзисторной логике.
2. Принципдействия транзисторов и схема его включения
Принципработы транзистора состоит во взаимодействии токов диффузии (тонкая база) ипроводимости (под действием электрического поля), это типа биполярноготранзистора, а полевого – в перекрытии канала проводимости в полупроводнике электрическимполем затвора. В отличии от диодов с p-n переходом, то транзистор работает наp-n-p переходе с тремя ногами. Принцип его работы такой, что одной ногой можноуправлять напряжением (именно напряжением) перехода другой связки.
Принципработы транзистора
Традиционнойпланарный транзистор представляет собой крохотную кремневую пластинку,обогащенную примесью р-типа и называемую подложкой. В подложке формируются двелегированные области, обогащенные примесью n-типа. Одна такая областьназывается стоком, а другая – истоком. На границе областей n-р происходятвесьма любопытные физические процессы: за счет вездесущей диффузии пограничныеэлектроны из n-областей перескакивают в р-область, богатую свободными дырками.Не сделав и пары шагов, электрон «проваливается» в первую же встретившуюся наего пути дырку. Если же ему удастся выскочить оттуда, он тут же захватываетсядругой свободной дыркой (а свободных дыр В р-области очень много). Часть этихдырок под давлением диффузных обстоятельств срывается с насиженного места иэмигрирует в n-обдасть, где их уже ждет толпа «голодных» электронов, и посленепродолжительной рекомбинации здесь не остается ни дырок, ни электронов(разумеется, электроны никуда не исчезают, но, попав в дырки, теряютподвижность и перестают быть свободными).
Такимобразом, на границах областей n-р образуется обедненная зона, в которойотсутствуют носители заряда, и потому течение тока между истоком и стокомоказывается невозможным. Для того чтобы транзистор мог переносить заряд,конструкторам пришлось добавить третий электрод – затвор. В отличие отустройства биполярных транзисторов, верой и правдой служивших в отечественнойбытовой аппаратуре с восьмидесятых годов, затвор электрически не связан ср-областью и отделен от нее тонким слоем изолятора (в роли которого обычновыступает оксид кремния). Управление переносом заряда осуществляется неэлектрическим током, а электромагнитным полем. При подаче положительногопотенциала на затвор создаваемое им электромагнитное поле вытесняет дыркивглубь подложки и затягивает в обедненный слой электроны из окружающих n-областей.Через короткое время пространство между n-областями насыщается свободныминосителями заряда, в результате чего в подзатворной области образуетсянасыщенный канал, способный беспрепятственно проводить электрический ток. Такоесостояние транзистора условно называют открытым. При исчезновении потенциала назатворе канал быстро забивается дырками, набежавшими из р-слоя. Электроныпроваливаются в дырки, и проводимость канала начинает катастрофически падать. Вконце концов канал разрушается, и транзистор переходит в закрытое (запертое)состояние.
/>
/>
На рисункепоказаны условные графические обозначения транзисторов той и другой структуры,выполненных на основе германия и кремния, и типовое напряжение смещения.Электроды транзисторов обозначены первыми буквами слов: эмиттер – Э, база – Б,коллектор – К. Напряжение смещения (или, как принято говорить, режим)показано относительно эмиттера, но на практике напряжение на электродахтранзистора указывают относительно общего провода устройства. Общим проводом вустройстве и на схеме называют провод, гальванически соединенный с входом,выходом и часто с источником питания, т.е. общий для входа, выхода и источникапитания.
Каскад собщим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткамданной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада. Кпреимуществам – высокий коэффициент усиления.
Рассмотримработу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения – входной токпротекает через переход «база-эмиттер» транзистора, что вызывает открываниетранзистора и, вследствие этого, увеличение коллекторного тока. В цепи эмиттератранзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. Нарезисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникаетнекоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом,происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в цепи –величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока.
Схема с общимколлектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями.Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Данная схемаиспользуется для согласования каскадов, либо в случае использования источникавходного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источникаможно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторныймикрофон.
Схемавключения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадахусилителей высоких частот. Данное включение транзистора позволяет более полноиспользовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов.Что такое частотная характеристика транзистора? Это – способность транзистораусиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, Эта величиназависит от типа транзистора. Более высокочастотный транзистор способенусиливать и более высокие частоты. С повышением рабочей частоты, коэффициентусиления транзистора понижается. Если для построения усилителя использовать,например, схему с общим эмиттером, то при некоторой (граничной) частоте каскадперестает усиливать входной сигнал. Использование этого – же транзистора, новключенного по схеме с общей базой, позволяет значительно повысить граничнуючастоту усиления. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низкимвходным и невысоким выходным сопротивлениями (эти параметры очень хорошосогласуются при работе в антенных усилителях с использованием так называемых «коаксиальных»несимметричных высокочастотных кабелей, волновое сопротивление которых, какправило, не превышает 100 Ом).
3. Входнаяи выходная характеристика транзистора (графики)
транзистор прибор трехэлектродный биполярный
/>
Выходнаяхарактеристика транзистора КТ315Б
/>
Входная характеристикатранзистора КТ315Б