СЭСПТ (часть 1). Тема 3: Биполярные транзисторы

1. СЭСПТ (часть 1)

Тема 3
Биполярные транзисторы

2. Типы транзисторов

БТ имеет
трехслойную
полупроводниковую
структуру с
чередующимся
типом проводимости
слоев между базой
Б, эмиттером Э,
коллектором К.
ПТ – прибор, в котором
ток через проводящий
канал между истоком И и
стоком С управляется
электрическим полем,
возникающим при
приложении напряжения
между контактами
затвора З и истока И.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) – симбиоз полевого транзистора с
вертикальным каналом и биполярного транзистора. Биполярные
транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT) являются
перспективными силовыми приборами и предназначены для работы в
токовых ключах , пропускающих токи в несколько тысяч ампер.
С учетом структуры БТИЗ контакты прибора и прилегающие к ним области
называются: эмиттер Э, затвор З, коллектор К.

3. Структура и схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от чередования слоев
существуют транзисторы типов p-n-p и n-pn. Например, у p-n-p типа один из p-слоев
называется эмиттерным (эмиттер), а другой
– коллекторным (коллектор). Эмиттерным
называется p-n-переход П1, находящийся
между эмиттером и базой. Коллекторным
называется p-n-переход П2 между базой и
коллектором. Внешние выводы от слоев
называются: эмиттер Э, база Б, коллектор К.
Существуют три схемы (способа) включения транзистора, в зависимости от того, какой
вывод транзистора (Э, Б или К) является общим для входной и выходной цепи. В связи с
этим различают схемы: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим
коллектором (ОК)..

4. Режимы работы транзистора

В зависимости от полярности внешних постоянных ЭДС, приложенных к
эмиттерному и коллекторному переходам, БТ работает в 4-х режимах работы:
Активный режим
(нормальный) эмиттерный
переход открыт,
коллекторный
закрыт.
Режим отсечки эмиттерный и
коллекторный
переходы смещены
в обратном
направлении, т.е.
оба перехода
закрыты
Режим насыщения
(двойной инжекции)
- оба перехода
смещены в прямом
направлении,
открыты
Инверсный режим эмиттерный
переход закрыт, а
коллекторный
открыт.
• Любой режим работы транзистора первоначально устанавливается с
помощью источников постоянного тока с учетом задач, решаемых схемой
• После того, как транзистор установлен в номинальный режим по
постоянному току, на него накладываются переменные сигналы

5. Основные потоки носителей в активном режиме

Дырки из эмиттера за счет диффузионного движения переходят в область n-базы,
создавая ток Iэр, направленный вправо. Увеличивается диффузионный поток электронов
из базы в р-эмиттер, создавая электронную составляющую Iбn полного прямого тока Iэ.
Общий ток Iэ, протекающий через контакт Э (цепь эмиттера), содержит две
составляющие дырочную и электронную: Iэ = Iэр + Iбn.
Поток дырок из эмиттера в базу разделяется на две неравные части. Основная часть
этого потока дырок пересекает базу и, перейдя через коллекторный переход П2,
создает дырочную составляющую тока Iкр коллектора. Дополнительно, через
коллекторный ток протекает ток неосновных носителей .
В процессе диффузии дырок через объем базы толщиной w некоторая часть из них
исчезает, рекомбинируя с электронами n-базы и создавая ток базы.

6. Параметры транзистора

7. Характеристики различных схем

Биполярный транзистор четырехполюсник имеющий "Вход" и
"Выход".
Различают: входное Uвх и выходное
напряжение Uвых.
Изменение этих напряжений приводит
к изменению входного (Iвх) и
выходного (Iвых) токов
четырехполюсника.
В зависимости от схемы включения
транзистора входными и выходными
токами и напряжениями могут быть
различные параметры; например, в
схеме с общей базой (ОБ) входной ток
ток Iэ эмиттера; входное напряжение
– напряжение Uэб между контактами
эмиттера (Э) и базы (Б).
Статические вольт-амперные характеристики транзистора - зависимости
входного и выходного токов от величины постоянных напряжений на входе или
на выходе схемы с учетом режимов и схем включения

8. Схема с общей базой

Входная характеристика
Выходная характеристика
Характеристика Iэ(Uэб)|Uкб идентична
прямой ветви ВАХ диода: при
возрастании |Uэб| > 0 ток Iэ через
прямо смещенный эмиттерный
переход возрастает по
экспоненциальной зависимости.
При увеличении напряжения на
коллекторе ток эмиттера
незначительно увеличивается
Семейство выходных характеристик - кривые
Iк(Uкб)|Iэ, полученные при фиксированном
значении тока Iэ. В режиме отсечки при
отсутствии эмиттерного тока (Iэ = 0: область I)
коллекторный ток крайне мал и при
напряжениях |Uкб| > 0 теоретически равен
значению Iко.
В активном режиме ВАХ значение тока
коллектора Iк(Iэ) монотонно увеличивается и
равно Iк = Iэ + Iкo, где - коэффициент
усиления тока в схеме ОБ

9. Схема с общим эмиттером

Входные (базовые)
характеристики отражают
зависимость тока базы Iб(Uбэ)|Uкэ
от напряжения Uбэ при
фиксированном напряжении
Uкэ. При увеличении
напряжения Uкэ ток базы падает
при фиксированном Uбэ
Серия выходных характеристик - зависимости
коллекторного тока Iк(Uкэ) при фиксированном
токе базы Iб = const. Можно выделить три
области: I – начальная линейная область; II
рабочий участок транзистора в режиме усиления,
III – область пробоя коллекторного перехода.
Ток коллектора равен: Iк = Iб + ( + 1)Iко, где коэффициент усиления тока в схеме ОЭ:
= /(1- ).

10. Транзистор как активный четырехполюсник и его h-параметры

Транзистор можно представить как
линейный четырехполюсник, если
в качестве измеряемых токов и
напряжений принимать небольшие
их приращения, накладывающиеся
на постоянные составляющие.
Cвязь между малыми переменными входными Du1 и выходными Du2 напряжениями и
токами Di1 и Di2 описывается системой H-параметров:
∆u1 = h11∆i1 + h12∆u2,
∆i2 = h21∆i1 + h22∆u2.
Параметр h11 найдем, положив ∆u2 = 0, т.е. при U2 = const:
h11 = (Du1/Di1)|Du2=0 – входное сопротивление по переменному току.
Параметр h12 найдем, положив ∆i1 = 0, т.е. при I1 = const:
h12 = (Du1/Du2)|Di1=0 коэффициент обратной связи по напряжению.
Параметр h21 найдем, положив ∆u2 = 0, т.е. при U2 = const:
h21 = (Di2/Di1)|Du2=0 коэффициент усиления транзистора по току.
Параметр h22 найдем, положив ∆i1 = 0, т.е. при I1 = const:
h22 = (Di2/Du2)|Di1=0. – выходная проводимость транзистора

11. Расчет H-параметров

Экспериментальное определение h параметров производится путем анализа
статических вольтамперных характеристик в различных схемах. Используются
экспериментальные статические характеристики транзисторов p n p или n-pn-типов в различных схемах (ОЭ, ОБ, ОК) в выбранных рабочих точках

12. Общие сведения об обозначении БТ

БТ маркируются буквенно-цифровым кодом:
первый элемент (цифра или буква) - полупроводниковый материал, на основе которого
изготовлен транзистор;
второй элемент (буква) определяет подкласс (или группу) транзисторов;
третий элемент (цифра) – основные функциональные возможности БТ;
четвертый элемент (число) обозначает номер разработки технологического типа
транзистора; пятый элемент (буква) условно определяет классификацию по параметрам
транзисторов, изготовленных по единой технологии.
Используются следующие символы для обозначения исходного материала: Г (или 1) –
германий, К (или 2) – кремний; А (или 3) – соединения галлия; И (или 4) -индий.
Для обозначения подкласса: Т - биполярный транзистор, П - полевой транзистор.
Для обозначения эксплуатационных характеристик: транзисторы малой мощности (Рк
1 Вт): 1- низкочастотный (fгр 3 МГц); 2- среднечастотный (fгр 30 МГц); …, транзисторы
большой мощности (Рк > 1,5 Вт): 7- низкочастотный (fгр 3 МГц); 8- среднечастотный (fгр
30 МГц); 9- ВЧ и ВСЧ (fгр > 30 МГц). Номер разработки: 01…99 или 101…999.
Пятая позиция – буква от А до Я – признак класса (классификатор).
Дополнительная (шестая) позиция цифра (через дефис) – конструкция транзистора.
Например, буква С – для обозначения наборов общем корпусе (транзисторные сборки),
1 – с гибкими выводами без кристаллодержателя, …, 6 – с контактными площадками на
кристаллодержателе, но без выводов.
Например, КТ-2115А-2 кремниевый БТ малой мощности, среднечастотный, 115
разработки, класс А, бескорпусный.
В справочниках приводятся и устаревшая маркировка, например, КТ-815 и др.