Биполярные транзисторы. Лекция 3

1. Лекция 3

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

2. Устройство, принцип действия биполярного транзистора

• Биполярный
транзистор
(БТ)
–
полупроводниковый
прибор
с
двумя
взаимодействующими р-n переходами и тремя
выводами.
• БТ
представляет
собой
пластину
полупроводника, в которой созданы три
области с чередующимся типом проводимости.
В зависимости от порядка их расположения
различают БТ типа n-p-n и p-n-p.

3.

Структуры БТ и их УГО
Эмиттерный
переход
Коллекторный
переход
Р-n переход между эмиттером и базой называют
эмиттерным, а переход между коллектором и базой –
коллекторным.
Стрелка эмиттера на УГО БТ показывает направление
тока при прямом напряжении на эмиттерном переходе

4. Конструкция транзистора структуры p-n-p

база
эмиттер
коллектор
p n p
кристалодержатель

5.

• В настоящее время большинство БТ
изготавливаются на основе кремния и
как правило имеют n-p-n структуру, так
как в этих транзисторах основную роль
играют электроны, а их подвижность в
несколько раз выше подвижности
дырок.
• Транзисторы n-p-n имеют лучшие
частотные характеристики и большее
усиление по сравнению с транзисторами
p-n-p типа.

6.

В электрической схеме к каждому
р-n
переходу подключается внешнее постоянное
напряжение, смещающее переход в том или
ином направлении. При этом могут иметь место
три режима работы БТ:
• активный режим (эмиттерный переход
смещен в прямом направлении, а коллекторный
– в обратном);
• режим насыщения (оба перехода прямо
смещены);
• режим отсечки (оба перехода обратно
смещены).

7. Активный режим БТ

эмиттер
IЭ
инжекция
коллектор
база
диффузия
экстракция
IК
Поток электронов
Рекомбинация
ЕБЭ
+
n
Поток дырок
p
n
+
ЕКБ
-
IБ

8.

• Сопротивление эмиттерного перехода
мало (ЕБЭ – десятые доли вольта);
• Сопротивление коллекторного перехода
велико (ЕКБ – от единиц до десятков
вольт);
По закону Кирхгофа:
IЭ IК IБ

9.

• Из эмиттера в базу инжектируются электроны, а
из базы в эмиттер – дырки.
• Электроны движутся к коллектору, стремясь
равномерно распределиться по всему объему
базы. Т.к. толщина базы намного меньше
диффузионной длины, почти все электроны
достигают коллекторного перехода.
• Вблизи коллектора они попадают под действие
электрического поля обратно смещенного
коллекторного перехода.
• Т.к. в базе электроны неосновные носители, то
происходит переброс их через переход в область
коллектора – экстракция. В коллекторе
электроны становятся основными носителями и
легко доходят до коллекторного вывода, создавая
ток во внешней выходной цепи БТ.

10.

• Различают 3 схемы включения БТ:
- с общей базой (ОБ),
- с общим эмиттером (ОЭ),
- с общим коллектором (ОК).
• В этих схемах один электрод является
общей точкой входа и выхода схемы.
Надо помнить: под входом и выходом
понимают точки, между которыми
действуют входные и выходные
переменные напряжения.

11. Схема с ОЭ

iК
iБ
VT
uКЭ
uБЭ
iэ
•Коэффициент усиления по току ki
представляет собой отношение амплитуд
(или действующих значений) выходного и
входного переменных токов:
ki = Im ВЫХ / Im ВХ = Im K / Im Б >>1
•Коэффициент усиления по напряжению
ku :
ku = UmВЫХ / UmВХ = UmКЭ / UmБЭ >>1
•Коэффициент усиления по мощности kp
kР = РВЫХ/РВХ = ImВЫХ UmВЫХ / (ImВХ UmВХ)= =
ki ku >>1
•входное сопротивление транзистора
RВХ:
RВХ = Um ВХ / Im ВХ = Um БЭ / Im Б
(от сотен Ом до единиц кОм )

12. Cемейство входных (а) и выходных (б) характеристик транзистора

iБ, мкА
UКЭ = 0
UКЭ 0
iК, мА
IБ 5
IБ 4
IБ 3
IБ 2
IБ 1
IК 0
IБ = 0
uБЭ, В
а)
iБ=f(uБЭ), UКЭ=const
uКЭ, В
б)
iК=f(uКЭ), IБ=const

13. Схема с ОБ

iК
iЭ
iБ
Е1
-
+
Е2
- +
•Коэффициент усиления по току
ki :
ki = ImВЫХ / ImВХ = ImK / ImЭ ≈ 1
•Коэффициент усиления по
напряжению ku :
ku = UmВЫХ / UmВХ = UmКБ / UmЭБ >>1
•Коэффициент усиления по
мощности kp
kР = РВЫХ/РВХ = ImВЫХ UmВЫХ / (ImВХ UmВХ)=
= ki ku >>1
•Входное сопротивление
транзистора RВХ:
RВХ = Um ВХ / Im ВХ = Um ЭБ / Im Э
(в десятки раз меньше, чем в
схеме с ОЭ )

14. Cемейство входных (а) и выходных (б) характеристик транзистора

iК, мА
iЭ, мА
3
3
iЭ = 3,0 мА
2,5 мА
UКБ = 10 В
2
2,0 мА
2
1,5 мА
UКБ = 0
1
1,0 мА
1
0,5 мА
iЭ= 0 мА u ,В
КБ
iЭ Н
0
200 uБЭ, мВ
100
а)
iЭ=f(uБЭ), UКБ=const
iК0
-0,8 -0,4 0
10
20
б)
iК=f(uКБ), IЭ=const

15.

•Пояснения для входной характеристики:
При увеличении UКБ коллекторный переход
расширяется за счет базы (обратно смещенный p-n
переход). Уменьшение толщины базы приводит к
уменьшению сопротивления перехода.
•Пояснения для выходной характеристики:
Если UКБ > 0, то p-n переход обратно смещен и
IК≈IЭ.
Если UКБ 0, то p-n переход прямо смещен, IК=0,
т.к. начинается инжекция электронов из
коллектора в базу. Это компенсирует переход
электронов из базы в коллектор.
IК=0 при UКБ = - 0,75 В

16. Вывод

• Хотя схема включения транзистора с ОБ
дает значительно меньшее усиление по
мощности и имеет еще меньшее
входное сопротивление, чем схема с
ОЭ, все же она находит применение, т.к.
по своим частотным и температурным
свойствам она значительно лучше
схемы с ОЭ

17. Схема с ОК (эмиттерный повторитель)

iК
iБ
-
uБЭ
+
uВЫХ
uВХ
-
iЭ
RН
iЭ
Е1
Е2
•Коэффициент усиления по току ki :
ki = Im Э / Im Б= ( Im К + Im Б ) / Im Б =
=Im К / Im Б+ 1 >>1
•Коэффициент усиления по
напряжению ku :
ku = UmВЫХ / UmВХ =
= Um ВЫХ / (Um БЭ+ Um ВЫХ) 1
•Коэффициент усиления по
мощности kp
k p= k i k u k i
•Входное сопротивление
транзистора RВХ:
R ВХ = (Um БЭ + Um ВЫХ) / Im Б
(десятки кОм )

18.

• В схеме с ОК выходное напряжение
повторяет входное. Именно поэтому
данный каскад называют эмиттерным
повторителем. Эмиттерным потому,
что резистор нагрузки включен в цепь
эмиттера.
• Достоинством схемы ОК является
высокое входное сопротивление.

19. Сравнительный анализ различных схем включения БТ

Параметр
Схема ОЭ
Схема ОБ
Схема ОК
ki
Десятки - сотни
Несколько меньше
единицы
Десятки - сотни
ku
Десятки - сотни
Десятки - сотни
Несколько меньше
единицы
kp
Сотни – десятки
тысяч
Десятки - сотни
Десятки - сотни
RВХ
Сотни Ом –
единицы кОм
Единицы –
десятки Ом
Десятки – сотни
кОм
RВЫХ
Единицы –
десятки кОм
Сотни кОм –
единицы МОм
Сотни Ом –
единицы кОм
Фазовый сдвиг
между uВЫХ и uВХ
180
0
0

20. Определить схему включения транзисторов VT1, VT2, VT3 в схеме многокаскадного усилителя НЧ.

Uвх
Определить схему включения транзисторов VT1,
VT2, VT3 в схеме многокаскадного усилителя НЧ.
Rф
R б'
VT1
Cp
Cф
Rн
Cp
Rф
Cф
Rб'
VT2
R б'
Rн
Cp
VT3
Cф
Cp
R б"
Rэ
Сэ
R б"
Rб"
Rн
-
Uпит
+
Uвых