Открытие полупроводников позволило создать не только диоды и тиристоры, но и тоже не менее популярные усилительные устройства – транзисторы. Они активно применяются в электронике и схемотехнике, а также современный прогресс позволил применять их и в силовой электронике. Более подробно мы рассмотрим биполярные транзисторы в этой статье.
Содержание:
- Структура и принцип работы транзистора
- Схемы соединения транзисторов
- Общая база
- Схема с общим эмиттером
- Схема с общим коллектором
- Мощность транзисторов
- Конструктивные особенности биполярных транзисторов
Структура и принцип работы транзистора
В отличии от тиристоров и диодов, транзистор имеет двух переходную структуру. Она может быть двух видов – p-n-p проводимость, в которой по средине расположен полупроводник с электронной проводимостью, а по бокам с дырочной. Схема ниже:
Или же n-p-n:
Каждый из этих переходов имеет особенности обычных диодов. Если к левому переходу приложить напряжение в прямом направлении (положительный потенциал к р-полупроводнику, а негативный к n-полупроводнику), то в левом переходе появится прямой ток. Основные носители начнут переходить с левого полупроводника в средний, где они станут уже не основными. Если же к правому переходу приложить напряжение обратной полярности, то основные носители не будут создавать ток. При этом будет существовать только ток, который создается неосновными носителями. Но если в средней зоне появится значительное количество неосновных носителей за счет диффузии через левый переход, то и в правом переходе ток возрастет. Таким образом можно регулировать ток правого перехода, изменением его в левом переходе. Средний полупроводник зовут базой (на схеме Б), тот, к которому напряжение приложено в прямом направлении – эмиттером (на схеме Е), а в обратном – коллектором (К). На рисунках выше показаны обозначение транзисторов на принципиальных схемах. Вывод эмиттера показан стрелкой. Поскольку в работе транзистора принимают участия носители обеих знаков – его называют биполярным.
Основные носители эмиттера, что проникают в базу, создают ток коллектора Iк, но некоторая их часть (примерно 1-2%) отправляется в базу. Все три тока подчиняются первому закону Кирхгофа IE =Iб+Iк. если такое выражение справедливо для токов, то оно будет справедливо и для его приращений ∆IE =∆Iб+∆Iк.
Схемы соединения транзисторов
Существует три схемы соединения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и коллектором соответственно. Рассмотрим детальней каждую из них.
Общая база
Схема будет выглядеть так:
В данном случае входным током будет IЕ, а выходным IК. Коэффициентом усиления называют зависимость приращения тока коллектора от тока эмиттера и он имеет вид h21б= ∆Iк/∆IE. Поскольку ∆IE =∆Iб+∆Iк, то h21б<1. Обычно h21б= 0,98÷0,99, поскольку Iб составляет 1-2% от IE.
Вольт-амперная характеристика транзистора при отсутствии тока эмиттера представляет собой обратную характеристику диода (между коллектором и базой напряжение обратной полярности). Если создать ток между эмиттером и базой, возрастет ток (будем обозначать далее как I) коллектора. При различных значениях IЕ будут различные значения вольт-амперных характеристик транзистора, которые создают, так называемое семейство характеристик транзистора, которые приведены ниже:
Зависимость I от приложенного между ним и базой напряжения (входная характеристика транзистора) представляет собой ничто иное как прямую ветку характеристику диода. Также на I эмиттера оказывает влияние и напряжение между коллектором и базой и чем оно выше, тем сильнее характеристика смещается влево, как показано на рисунке ниже:
Но данное смещение наблюдается только в промежутке от 0 до 10 В, при увеличении напряжений характеристики смещаться не будут. Поскольку большинство транзисторов работают при UК>10 В, то входную характеристику считают независимой от входного напряжения.
Схема с общим эмиттером
Такая схема включения дает реальное усиление выходного тока I. Схема ниже:
Коэффициент усиления это как и раньше отношение выходного I к входному, но теперь входным будет IБ, так что получим:
Если учесть что h21б= 0,98÷0,99; имеем h21Е= 50÷98, что значительно выше единицы. Это главное преимущество этой схемы.
Вольтамперные характеристики схемы с общим эмиттером ОЭ напоминают те, что соответствуют схеме с общей базой ОБ, но расположены в первом квадранте и показаны ниже:
Здесь имеем два p-n перехода с потенциальным барьером, электрические поля в которых направлены встречно и взаимно компенсируются, поэтому при UК=0, коллекторный I не возникает. Характеристики будут смещаться относительно IБ, который в данном случае будет входным.
Входная характеристика практически такая же, как и для схемы с ОБ, так как соответствует одному и тому же переходу, но из-за того, что полярность входного напряжения относительно коллекторного в этой схеме противоположная, характеристика при росте UК смещается вправо и показана ниже:
И здесь она при UК>10 В от дальнейшего возрастания UК не зависит.
Для расчета и анализа усилителей необходимо использовать эквивалентную схему транзистора. Ее можно создать исходя из эквивалентной схемы диода. Поскольку транзистор являет собой два диода, совмещенных в одном корпусе, то эмиттерный переход будет находится под прямым напряжением. Чтоб учесть смещение входной характеристики в зависимости от входного напряжения коллектора, источник Е выразим как h12БUК, пропорциональным UK. Сопротивление эмиттерного перехода обозначим как h11Б. схема будет иметь следующий вид:
Схема с общим коллектором
Эта схема практически ничем не отличается от эмиттерной и ее эквивалентная схема может быть такой же. Но тому, что выходные (вольтамперные) характеристики практически горизонтальные, их пересечения с горизонтальной осью найти практически невозможно. Как известно из курса электротехники последовательное включение резистора с источником напряжения можно заменить на параллельное соединение резистора с источником тока, величина которого найдется как ордината точки пересечения характеристики с осью токов. Поскольку выходная характеристика будет смещаться относительно IЕ, учтем это путем введения источника тока h21БIЕ, пропорционально входному IЕ. Наклон выходной характеристики определит нам проводимость коллекторного перехода, которая имеет обозначение h22Б. Построенная таким образом схема будет полностью соответствовать эквивалентной схеме транзистора:
Буква Б в данном случае указывает на то, что данная схема соответствует соединению с общей базой ОБ.
Применив к левой части второй закон Кирхгофа, а к правой первый, получим:
Оба эти уравнения создают так называемую систему гибридных параметров, чем и обосновывается буква h. Если выписать все коэффициенты уравнений (параметры) в таблицу (определитель), то первый цифровой индекс будет указывать на номер строки, а второй на номер столбца. При этом двое из этих параметров – коэффициент усиления тока h21Б и коэффициент обратной связи по напряжению h21Б размерности не имеют. Входное сопротивление h11Б, измеряется в омах, а выходная проводимость h22Б в сименсах.
Также для схемы с ОЭ существует такая же система параметров и подобная эквивалентная схема:
Различие между схемами состоит в том, что вместо буквы Б использована буква Е. Уравнения для этой системы будут иметь вид:
На практике считается что h12Б= h12Э=0, поскольку при UК>10 В смена коллекторного напряжения на выходную характеристику не влияет. Между параметрами различных схем соединений существуют следующие зависимости:
Мощность транзисторов
Все изготовляемые транзисторы разделяют на три основных группы по мощности, которая может быть выделена на коллекторе и равна произведению тока на напряжение, что приложено к коллектору:
- Транзисторы малой мощности, их мощность лежит в пределах 0<PK<0,3 Вт;
- Транзисторы средней мощности – их пределы 0,3 Вт< PK< 1,5 Вт;
- Мощные транзисторы РК больше 1,5 В.
Мощность ограничивается граничной температурой, при превышении которой может произойти тепловой пробой.
Конструктивные особенности биполярных транзисторов
На самом деле конструктивное оформление биполярных транзисторов довольно разнообразно. Давайте рассмотрим конструкцию этих элементов на примере транзистора, показанного ниже:
На массивном металлическом основании 4 размещают кристалл полупроводника 1, который имеет, к примеру, электронную проводимость. На противоположной стороне кристалла относительно грани сделаны две напайки 2 и 3 например с индию, под которым будут создаваться зоны с дырочной проводимостью. Один из этих элементов будет коллектором, а второй эмиттером – сам кристалл базой. Для всех элементов реализованы выводы, а вся конструкция накрыта корпусом во избежание механических повреждений и попадания влажности. Металлическая основа 4 отводит тепло от устройства. В более мощных устройствах могут применять радиаторы, для более высокой теплоотдачи.
