Устройство защиты электродвигателя от перегрузок
Устройство защиты электродвигателя от перегрузок
28.11.2016
масло в трансформаторе
Какова роль масла в силовых трансформаторах?
28.11.2016

Биполярный транзистор- подробное описание всех параметров полупроводника

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – один из двух основных видов транзисторов, изготавливается в виде трёхэлектродного полупроводникового прибора. В каждом из этих проводников имеются последовательно расположенные слои обладающие n-проводимостью (примесной) или p-проводимостью (дырочной). Таким образом, формируются биполярные транзисторы n-p-n или p-n-p типов.

Три электрода в биполярном транзисторе подключены соответственно к каждому из трёх проводящих слоёв.

В момент работы биполярного транзистора происходит одновременная передача разнотипных зарядов, переносимых электронами и дырками. То есть всего задействовано два типа зарядов, потому этот транзистор и носит название «биполярный» («би» означает «два).

Биполярный транзистор

Рис.1: Устройство биполярного транзистора.

Соединённый со средним слоем электрод обозначается как «база». Два крайних электрода именуются «коллектор» и «эмиттер». По типу проводимости два этих канала одинаковы. Однако, с целью получения устройства с необходимыми характеристиками, слой, соединённый с эмиттером, делают более легированными примесями, а соединённый с коллектором – наоборот. Как результат, допустимое коллекторное напряжение увеличивается. Учёт уровня обратного напряжения, при котором происходит пробой эмиттерного перехода, не столь важен, поскольку для сборки электронной схемы обычно применяют модели с прямым смещением по эмиттерному p-n-переходу, что превращает схему практически в проводник. Помимо прочего, легированный эмиттерный слой  облегчает переход неосновных носителей в центральный проводящий слой, способствуя увеличению коэффициента преобразования по току в схеме с ОБ (общей базой).

Также, в модифицированной конструкции коллекторный p-n-переход по размерам значительно превосходит эмиттерный. Данный параметр обусловлен необходимостью улучшения сбора неосновных носителей, поступающих из слоя базы, и подъёма коэффициента передачи.

Быстродействие биполярных транзисторов зависит от толщины базового слоя: чем он толще, тем медленнее функционирует вся схема. Но крайне истончать этот  слой тоже нельзя. При уменьшении толщины уменьшается и временной отрезок, требующийся для прохождения неосновных носителей через тело базового слоя, но вместе с тем происходит значительное уменьшение предельного коллекторного напряжения. Поэтому подбор правильного размера базы осуществляется с учётом обоих этих явлений.

Устройство и принцип действия

Биполярный транзистор

Рис.2: Планарный биполярный n-p-n транзистор в поперечном разрезе

Самые первые модели биполярных транзисторов выполнялись с применением металлического германия (полупроводниковый материал). На данный момент для этих целей используется монокристаллический кремний и монокристаллический арсенид галлия.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор

Рис.3: Монокристаллы кремния и арсенида галлия

Наиболее быстродействующими устройствами являются те, в которых задействован арсенид галлия. По этой причине их наиболее часто применяют как элементы сверхбыстродействующих логических схем и схем сверхвысокочастотных усилителей.

Как уже говорилось выше, структура биполярного транзистора складывается из эмиттерного, базового и коллекторного слоёв с различным уровнем легированности, и каждый слой соединён со своим электродом, представленный омическим (невыпрямляющим) контактом.

Слаболегированный базовый слой транзистора отличается большим уровнем омического сопротивления.

При соотнесении контактов эмиттер-база и коллектор-база можно отметить, что первый уступает по размерам второму. Подобная конструкция обусловлена следующими моментами:

  • Большой коллекторно-базовый переход позволяет увеличить количество передаваемых от базы к коллектору неосновных носителей заряда (ННЗ);
  • На момент активной работы К-Б-переход функционирует в условиях обратного смещения, что вызывает сильное тепловыделение в зоне коллекторного перехода, поэтому, чтобы улучшить его теплоотводность приходится увеличивать площадь.

Таким образом «идеальный» симметричный биполярный транзистор фигурирует только в теоретических выкладках, а перенос теорию на практическую базу демонстрирует, что наибольшим КПД обладают именно те модели, которые не обладают симметрией.

В режиме активного усиления в транзисторе происходит прямое смещение Э-перехода (он становится открытым), и обратное смещение К-перехода (он становится закрытым). В противоположной ситуации, при закрытии Э-перехода и открытии К-перехода происходит инверсное включение биполярного транзистора.

Если подробнее рассматривать процесс функционирования транзисторов n-p-n типа, то в первую очередь наблюдается переход основных НЗ (носителей заряда) из эмиттерного слоя по Э-Б-переходу в базовый слой. Часть НЗ, представленных электронами взаимодействует с дырками базы, что приводит к нейтрализации обоих зарядов и сопутствующему выделению энергии. Тем не менее, базовый слой достаточно тонок и легирован достаточно слабо, это увеличивает общее время процесса взаимодействия, поэтому гораздо большее количество эмиттерных НЗ успевает проникнуть в коллекторный слой. Кроме того, сказывается действие силы электрического поля, образуемого смещённым коллекторным переходом. Благодаря этой силе значительно увеличивается количество перетягиваемых из базового слоя электронов.

В  результате, значение коллекторного тока практически равняется эмиттерному за вычетом потерь в базовом слое, которыми и исчисляется ток самой базы. Для вычисления значения коллекторного тока используется формула:

Iк = αIэ,

где Iк – коллекторный ток, Iэ – эмиттеный ток, α– коэффициент передачи тока эмиттера.

Спектр значений коэффициента α варьируется от 0,9 до 0,99. Большие значения позволяют производить более эффективную трансляцию тока транзистором. Величина α при этом не определяется тем, какое напряжение демонстрируют К-Б и Б-Э переходы. Как результат, в условиях множества вариантов рабочего напряжения сохраняется пропорциональное соотношение между Iк и Iб. Для нахождения коэффициента данной пропорциональности применяется формула:

β = α/(1 − α).

Значения β  могут находиться в диапазоне 10-100. Отсюда можно сделать вывод о том, что для регуляции работы большого коллекторного тока, вполне можно обходиться током малой силы на базе.

Разновидности порядка действия биполярных транзисторов

Нормальный активный режим

Характеристика:

  1. Открытая эмиттерно-базовая область (смещение по прямому направлению);
  2. Закрытая коллекторно-базовая область (смещение по обратному направлению);
  3. Положительный уровень напряжения в эмиттерно-базовой области;
  4. Отрицательный уровень напряжения в коллекторно-базовой области.

Пункты 3 и 4 приведены для  p-n-p транзисторов. Для моделей с n-p-n структурой характеристика будет обратной данной.

Инверсный активный режим

Характеристика:

  1. Обратное смещение на эмиттерном переходе;
  2. Прямое смещение на коллекторным переходе.

Остальные пункты как для нормального активного режима.

Режим насыщения

Характеристика:

  1. Соединение Э-перехода и К-перехода с внешними источниками;
  2. Прямое смещение эмиттерного и коллекторного перехода;
  3. Ослабление диффузного электрического поля из-за электрического поля внешних источников;
  4. Снижение уровня потенциального барьера, что приведёт к ослаблению контроля диффузии основных НЗ, а также смещению большого количества дырок из эмиттерных и коллекторных областей в область базы.

Вследствие последнего пункта происходит формирование эмиттерных и коллекторных токов насыщения (Iэ.нас. и Iк.нас.)

В этом же режиме фигурирует понятие «напряжение насыщения» на переходе К-Э. Благодаря ему можно определить степень падения напряжения для открытого транзистора. Подобным образом напряжение насыщения для перехода Б-Э  определяет степень падения напряжения для приведённого участка.

Режим отсечки

Характеристика:

  • Смещение по обратному направлению в К-области;
  • Смещение Э-перехода по любому направлению, при условии, что оно не превысит пороговый показатель, который отграничивает начало процесса испускания электронов эмиттером в базовый слой.

Уровень приведённого показателя в случае с кремниевым биполярным транзистором достигает 0,6-0,7 Вольт, значит режим отсечки возможен при нулевой силе тока на базе, либо при уровне напряжения менее 0,7 Вольт на Э-Б переходе.

Барьерный режим

Характеристика:

  • Соединение базового сегмента и коллектора на коротко, либо с применением малогабаритного резистора;
  • Производится подключение резистора к коллекторной или эмиттерной цепи, чтобы он мог задавать ток посредством транзисторного элемента.

Действие в представленном режиме преобразует полупроводниковый триод в аналог диода с последовательным подключением к токозадающему резистору. Каскад, построенный в соответствии с данной схемой,имеет небольшое количество составляющих и почти не зависит от характеристик используемого устройства.

Схемы включения

Для характеристики включающей транзисторной схемы применяются два значимых показателя:

  • Величина коэффициента фиксирующего усиление по току, которое вычисляется через отношение тока выхода (Iвых) к току входа (Iвх);
  • Значение входного сопротивления (Rвх), которое вычисляется через отношение входного напряжения (Uвх) к току входа (Iвх).

Включение с общей базой (ОБ)

Рис.4: Усилитель с ОБ

Характеристика:

  • Вариант схемы, при котором уровень сопротивления на входе является самым низким, а выходе – самым высоким;
  • По α (коэффициенту усиления по току) приближается к 1;
  • Обладает большим Кu (коэффициентом усиления по напряжению);
  • Не происходит инвертации фазы сигнала.

Для определения коэффициента α необходимо вычислить отношение тока коллектора к току эмиттера (иначе – отношение тока выхода к току входа).

Для определения входного сопротивления Rвх следует вычислить соотношение входного напряжения и входного тока (иначе – соотношение напряжения на переходе Э-Б и эмиттерного тока). Значение этого параметра для схем с ОБ достигает максимум 100 Ом (в биполярном транзисторе малой мощности).

Плюсы применения схем включения с ОБ

  • Хорошее температурное и частотное значение;
  • Высокий уровень допустимого напряжения.

Минусы применения схем включения с ОБ

  • Незначительная степень усиления по току (поскольку, значение коэффициента α не достигает единицы);
  • Низкий уровень входного сопротивления;
  • Работа обеспечивается двумя разными источниками напряжения.

Включение с общим эмиттером (ОЭ)

Характеристика:

  • Ток на выходе соответствует току коллектора;
  • Ток на входе соответствует току базы;
  • Напряжение на входе соответствует напряжению на Б-Э переходе;
  • Напряжение на выходе соответствует напряжению на К-Э переходе.

Вычислить коэффициент β (усиление по току) для данной схемы можно, через отношение тока выхода к току входа (тока коллектора к току базы; тока коллектора к разности эмиттерного и коллекторного токов).

Для определения входного сопротивления (Rвх) высчитывается отношение напряжения на входе к току на входе (напряжения на Б-Э переходе к току на базе).

Плюсы применения схем включения с ОЭ

  • Большое значение коэффициента β;
  • Большое значение коэффициента усиления по напряжению;
  • Самый высокий уровень усиления мощности;
  • Задействуется только один источник питания;
  • Происходит инвертация выходного напряжения (по отношению к входному).

Плюсы применения схем включения с ОЭ

  • Температурное и частотное значение гораздо ниже относительно схем включения с ОБ.

Включение с общим коллектором (ОК)

Характеристика:

  • Ток на выходе соответствует току на эмиттере;
  • Ток на входе соответствует величине тока в области базы;
  • Напряжение на входе соответствует напряжению на Б-К переходе;
  • Напряжение на выходе соответствует напряжению на К-Э переходе.

Вычисление β показателя осуществляется через отношение тока на выходе к току на входе (тока в области эмиттера к току в области базы; тока эмиттерной области к разнице Э и К тока).

Величина сопротивления на входе определяется по отношению напряжения на входе к току на входе (отношению суммы напряжений на Б-Э и К-Э переходах к токовому показателю на базе).

Схема с данным типом подключения носит название эмиттерного повторителя.

Плюсы эксплуатации схем включения с ОК

  • Значительный уровень сопротивления на входе;
  • Низкий уровень сопротивления на выходе.

Минусы эксплуатации схем включения с ОК

  • Величина показателя, характеризующего усиление по напряжению, не достигает единицы.

Значимые показатели у биполярных транзисторов

  • Величина показателя, характеризующего передачу по току;
  • Уровень сопротивления на выходе;
  • Величина выходной проводимости;
  • Величина обратного К-Э тока;
  • Время, требуемое для включения;
  • Уровень предельной частоты показателя, характеризующего передачу тока базы;
  • Величина обратного тока в коллекторной области;
  • Величина максимально допустимого тока;
  • Уровень граничной частоты показателя, характеризующего передачу тока (для схем с ОЭ).

Существует деление определяющих качеств биполярного транзистора на две основные группы. Первая группа параметров определяет перечень признаков, проявляющихся при работе транзистора, но не зависящих от использованного типа подключения. Сюда относятся:

  • Величина показателя усиления по току α;
  • Общее сопротивление эмиттера;
  • Общее сопротивление коллектора;
  • Значение сопротивления на базе по поперечному направлению.

Если говорить о параметрах второй группы, то они меняются согласно использованной схеме включения. Кроме того, необходимо учитывать отсутствие линейности транзисторных свойств, поэтому перечень вторичных характеристик можно применять только по отношению к низкоуровневым частотам и импульсам с малой амплитудой.

Вторичными параметрами считают:

  • Уровень сопротивления на входе;
  • Значение показателя демонстрирующего обратную связь по напряжению;
  • Величина показателя передачи тока;
  • Уровень выходной проводимости.

Помимо вышеперечисленных моментов следует учитывать, что высокая частота влечёт за собой снижение ёмкостного сопротивления, снижение силы тока и последующее уменьшение величин коэффициентов α и β. Частотный показатель, вызывающий уменьшение α и β на 3 дБ обозначается как граничный.

Сферы применения

Полупроводниковые триоды могут использоваться для создания:

  • Усилителей, каскадов усиления;
  • Генераторов сигналов;
  • Модуляторов;
  • Демодуляторов (детекторов);
  • Инверторов (логических элементов) и т.д.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (4 оценок, среднее: 4,25 из 5)
Загрузка...