Транзисторы, тиристоры Биполярные транзисторы. Классификация транзисторов

1.

Тема: Транзисторы, тиристоры
Биполярные транзисторы. Классификация транзисторов.
Принцип действия, параметры и характеристики
биполярного транзистора. Три схемы включения.
Методы расчета схем на биполярных транзисторах
(представление в виде 4-х полюсника).
Полевые транзисторы.
Полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и
МОП – транзисторы. Принцип действия, характеристики и
параметры.
Тиристоры
Четырехслойные полупроводниковые структуры.
Динисторы, тринисторы и симисторы. Характеристики и
параметры. Применение в силовой электронике
1

2.

Биполярный транзистор
Bell Labs (США). Трое ученых:
Джон Бардин,
Уильям Шокли и
Уолтер Браттейн.
16 декабря 1947 года впервые
миру был
продемонстрирован биполярный
транзистор.
Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с
двумя взаимодействующими выпрямляющими
электрическими p-n переходами и тремя (или более)
выводами, усилительные свойства которого обусловлены
явлениями инжекции (вбрасывания) и экстракции
(втягивания) неосновных носителей заряда.
2

3.

Биполярный транзистор
Эмиттер (Э) – Emitter – источник, излучатель, генератор.
База (Б) – Base – основа, управляющий вывод.
Коллектор (К) – Collector – собиратель, токоприемник.
3

4.

По типу: p–n–p (прямая проводимость) или n–p–n
(обратная).
По конструкции: Беcкорпусные - Заключенные в типовой
корпус .
По материалу изготовления: кремний или арсенид
галлия.
По рабочей частоте: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц –
средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц –
сверхвысокая.
По наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3
Вт, свыше 3 Вт.
4

5.

Устройство транзистора
Биполярные транзисторы являются
несимметричными приборами, что
значительно улучшает их свойства:
1) база выполнена из
слаболегированного материала и
имеет большую величину
сопротивления. Очень тонкая.
2) эмиттер очень сильно легирован, т.е. сверх насыщен
свободными носителями заряда. Концентрация атомов примеси (и
свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому
этот слой низкоомный.
3) коллектор также сильно легирован, но слабее, чем эмиттер;
реально площадь коллекторного перехода значительно больше
площади эмиттерного перехода.
5

6.

Принцип действия
При положительном смещении перехода Э-Б, база насыщается электронами,
что обуславливает значительное снижение потенциального барьера перехода
Б-К, и как следствие, его проводимости при обратном смещении.
6

7.

Принцип действия
1. Базовый ток.
2. Коллекторный ток.
3. Ток эмиттера – содержит ток базы и ток
эмиттера.
Ток базы управляет открытием перехода Э-Б. Увеличении
открытия Э-Б
-> между Э и К больший ток.
Iб -> расширение
Существенное усиление сигнала низкой амплитуды, т. к. Iк больше, чем Iб.
Управление с помощью слабого тока базы сильным током коллектора.
При коэффициенте усиления 100, при токе через базу 1мА, через коллектор будет
протекать ток 100мА и т.д.
7

8.

Параметры и характеристики биполярного транзистора
Основные характеристики биполярных транзисторов:
1) Iк – максимальный ток коллектора;
2) Uкэ макс – максимальное напряжение, которое можно приложить
между коллектором и эмиттером (10 - 2000 В);
3) Uкэ нас. – напряжение насыщения транзистора;
4) Β или h21Э – коэффициент усиления транзистора, равен Iк/Iб;
5) максимально допустимая мощность рассеяния коллектора Pк макс.
малой мощности (до 0,3 Вт);
средней мощности (0,3 - 3 Вт);
большой мощности (более 3 Вт);
6) граничная частота передачи тока, fгр.
низкочастотные – до 3 МГц,
среднечастотные – от 3 до 30 МГц,
высокочастотные – от 30 до 300 МГц,
сверхвысокочастотные – более 300 МГц .
8

9.

Режимы работы
1. Режим насыщения. Режим, в котором транзистор
находится в максимально открытом состоянии (оба
перехода смещены в прямом направлении).
2. Режим отсечки – это когда ток не протекает и транзистор
закрыт (оба перехода смещены в обратном направлении).
3. Активный режим (коллектор-база смещен в обратном
направлении, а эмиттер-база смещен в прямом).
4. Инверсный активный режим (коллектор-база смещен в
прямом направлении, а эмиттер-база смещен в обратном),
но он редко используется.
9

10.

Схемы включения
коэффициент передачи
тока эмиттера
α = 0,9 - 0,999 для
современных
транзисторов
«+»:
- хорошее температурное и частотное
значение;
- высокий уровень допустимого напряжения.
«-»:
- незначительная степень усиления по току
(поскольку, значение коэффициента α не
достигает единицы);
- низкий уровень входного сопротивления;
- работа обеспечивается двумя разными
источниками напряжения.
10

11.

Схемы включения
коэффициент передачи тока базы
Основная схема включения. Усиление по U и I. Схему можно запитать от
одного источника. Часто применяется в усилителях мощности (P).
«+» -высокие коэффициенты усиления по I, U, P. Один источник питания.
Происходит инвертирование выходного переменного U относительно
входного. «-» - наименьшая температурная стабильность и частотные
характеристики хуже, чем при подключении с ОБ.
11

12.

Схемы включения
Эмиттерный повторитель.
Этот тип включения применяют
для согласования каскадов, выполненных на транзисторах, или при
источнике входного сигнала, который имеет высокое выходное R
(микрофон конденсаторного типа или звукосниматель).
«+» - большое значение входного и малое выходное
сопротивление.
«-» низкий коэффициент усиления по U.
12

13.

Параметры биполярного транзистора для различных схем
включения
(Ю.Ф.Опадчий … с.41)
13

14.

Вольтамперные характеристики (ВАХ )
14

15.

Представление в виде линейного
четырехполюсника (общий …)
Система уравнений четырехполюсника в матричном
виде (через h-параметры)
15

16.

Полевые транзисторы
Полевыми транзисторами называют полупроводниковые
приборы, в которых создание электрического тока обусловлено
перемещением носителей заряда одного знака под
действием продольного электрического поля, а управление
выходным током основано на модуляции
сопротивления полупроводникового материала поперечным
электрическим полем.
канал n-типа
канал p-типа
16

17.

Принцип работы полевых транзисторов может быть основан:
- на зависимости сопротивления полупроводника от сечения его
проводящей области
- (чем меньше сечение – тем меньше ток; реализован в полевых
транзисторах с управляющим р-п-переходом);
-
на зависимости проводимости полупроводника от концентрации
основных носителей
(реализован в полевых транзисторах с изолированным затвором
структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы)).
1. Полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода
(ПТУП - полевой транзистор с управляющим р-nпереходом)
17

18.

Основными областями в структуре полевого транзистора с
управляющим р-п-переходом являются:
- область истока – область, от которой начинают перемещение
носители зарядов;
- область стока – область, к которой перемещаются носители;
- область затвора – область, с помощью которой осуществляется
управление потоком носителей;
- область канала – область, через которую перемещаются носители.
18

19.

ПТУП - полевой транзистор с управляющим р-nпереходом)
Принцип ПТУП - изменение сопротивления канала за счет
изменения размеров области, обедненной основными
носителями заряда, которое происходит под действием
приложенного к затвору обратного напряжения.
Напряжение между затвором и истоком, при котором канал
полностью перекрывается и ток стока достигает минимального
значения (Iс -» 0), называют напряжением отсечки (Uотс)
полевого транзистора.
19

20.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором
МДП: металл – диэлектрик – полупроводник
МОП: металл – оксид – полупроводник
П - подложка
Канал встроенный, если он изначально обогащен носителями заряда.
Если канал изначально обеднен носителями электрических зарядов, то
он называется индуцированным.
Существенным преимуществом ПТИЗ перед ПТУП является высокое
входное сопротивление, достигающее значений 1010 – 1014Ом (у
транзисторов с управляющим р-п-переходом – 107 – 109 Ом).
20

21.

3. Выходные ВАХ ПТУП
21

22.

4. Основные параметры полевых транзисторов
1) крутизна стокозатворной
характеристик S = 0,1-500 мА/В;
2) крутизна характеристики по
подложке Sп = 0,1-1 мА/В;
3. начальный ток стока IС нач –
ток стока при нулевом
напряжении UЗИ.
с управляющим р-nпереходом IC нач = 0,2-600
мА,
со встроенным каналом – IС
нач = 0,1-100 мА,
с индуцированным каналом
– IС нач = 0,01-0,5 мкА;
4) напряжение отсечки UЗИ отс (типовые
значения UЗИ отс = 0,2-10 В);
5) сопротивление сток – исток в открытом
состоянии RСИ отк (типовые значения RСИ
отк = 2-300 Ом);
6) остаточный ток стока IС ост – ток стока
при напряжении UЗИ отс (IС ост = 0,001-10
мА);
7) максимальная частота усиления fp –
частота, на которой коэффициент
усиления по мощности равен единице
(типовые значения fp – десятки – сотни
МГц).
22

23.

Тиристоры
Четырехслойные полупроводниковые структуры.
Динисторы, тринисторы и симисторы. Характеристики и
параметры. Применение в силовой электронике
23

24.

Четырехслойные полупроводниковые структуры
«дырочный» ток:
Ip = I p КО + α1 Iн
где I p КО – обратный дырочный ток
коллекторного перехода;
α1 - коэффициент передачи тока
эмиттера первого транзистора.
Ip = I p КО + α1 Iн
In = I n КО + α2 Iн
«электронный» ток
In = I n КО + α2 Iн
где I n КО – обратный электронный ток
коллекторного перехода;
α2 - коэффициент передачи тока
эмиттера второго транзистора.
Iн = I p + I n =
= I p КО + I n КО + Iн (α1 + α2) =
= IК ВО + Iн α∑
Iн = IК ВО / (1 - α∑)
24

25.

Вольт-амперная характеристика
3
Динистор
2
1
Участок 1 - динистор закрыт (VB – Breakover voltage);
Участок 2 - динистор триггерно (мгновенно, как реле) открывается;
Участок 3 - открытое состояние динистора.
25

26.

Динистор
Динистор – полупроводниковый элемент, открытие которого происходит при
достижении между выводами анода и катода определённого напряжения,
(зависящего от типа данного динистора), а закрытие - снижением до
определённого уровня тока через него.
Основные параметры динистора:
— Напряжение открывания (включения), Uвкл;
— Минимальный ток удержания, Iуд;
— Максимально допустимый прямой ток, Iпр;
— Ток утечки в закрытом состоянии, Iут;
— Максимально допустимое обратное напряжение, Uобр max;
— Падение напряжения на открытом динисторе, Uпр;
— Скорость нарастания напряжения при переключении, dUзакр/dt, либо
- Время нарастания напряжения, tr.
26

27.

Тринистор
Тринистор – полупроводниковый прибор с
двумя устойчивыми состояниями, имеющий
три выпрямляющих перехода, который
может переключаться из закрытого
состояния в открытое, и наоборот.
27