Министерство транспорта Российской
Федерации
Федеральное агентство железнодорожного
транспорта
Государственное образовательное
учреждение высшего профессионального
образования
Омский государственный университет
путей сообщения (ОмГУПС)
Кафедра «Инфокоммуникационные системы
и информационная безопасность»
режимы работы
транзистора
Тематический реферат
по дисциплине «Электроника»
Студент группы ХХ
________________
(подпись студента)
_____________
(дата)
Проверил –
преподаватель кафедры ХХ
_____________________
(подпись преподавателя)
_____________
(дата)
Омск 2014
Содержание
Введение
Полупроводниковые приборы ( диоды и
транзисторы) благодаря малым габаритам
и массе, незначительному потреблению
электроэнергии, высокой надёжности и
долговечности широко применяются в различной
радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее
время почти вся бытовая радиоэлектронная
техника, включая телевизоры, приёмники,
магнитофоны и др., работает на полупроводниковых
приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых
приборов в электронных вычислительных
машинах позволило решить проблему достижения
высоких эксплуатационных параметров
ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности.
Для конструирования надёжных схем на
транзисторах, то есть для правильного
выбора типа транзистора, грамотного расчёта
схем, выбора оптимального теплового и
электрического режимов, необходимо располагать
подробными сведениями, характеризующими
эксплуатационные свойства транзисторов.
Действие транзистора можно сравнить
с действием плотины. С помощью постоянного
источника (течения реки) и плотины создан
перепад уровней воды. Затрачивая очень
небольшую энергию на вертикальное перемещение
затвора, мы можем управлять потоком воды
большой мощности, т.е. управлять энергией
мощного постоянного источника
Срок службы полупроводниковых триодов
и их экономичность во много раз больше,
чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы
нашли широкое применение в микроэлектронике
— теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре
и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют
электронные лампы во многих электрических
цепях научной, промышленной и бытовой
аппаратуры.
Преимущества транзисторов по сравнению
с электронными лампами - те же, как и у
полупроводниковых диодов - отсутствие
накалённого катода, потребляющего значительную
мощность и требующего времени для его
разогрева. Кроме того, транзисторы сами
по себе во много раз меньше по массе и
размерам, чем электрические лампы, и транзисторы
способны работать при более низких напряжениях
и более высоких частотах.
Но наряду с положительными качествами,
триоды имеют и свои недостатки. Как и
полупроводниковые диоды, транзисторы
очень чувствительны к повышению температуры,
электрическим перегрузкам и сильно проникающим
излучениям (чтобы сделать транзистор
более долговечным, его помещают в специальные
корпуса ).
Основные материалы из которых изготовляют
транзисторы — кремний и германий, перспективные
– арсенид галлия , сульфид цинка и широко
зонные проводники .
Существует 2 типа транзисторов: биполярные
и полевые.
Биполярный транзистор представляет
собой транзистор, в котором используются
заряды носителей обеих полярностей.
1 Общие принципы
Биполярные транзисторы - это
приборы на основе трехслойной структуры.
Существуют две структуры, которые представлены
на рис. 15а, 15б. Структура транзистора имеет
три области с тремя чередующимися типами
проводимости. В зависимости от порядка
чередования областей различают транзисторы
p-n-p- и n-p-n типа. Они имеют два p-n перехода.
Существуют еще полевые транзисторы, имеющие
другие структуры.
Транзистор является управляемым
прибором. Управляющим выводом является
база Б, который делается от среднего слоя.
Другие два вывода называются эмиттер
Э и коллектор К. Управляющей цепью является
переход база-эмиттер Б-Э. Этот переход
является диодным и ток через него может
протекать только по направлению проводимости
диодного перехода. Цепь коллектор-эмиттер
К-Э является управляемой цепью. С помощью
тока через переход Б-Э можно управлять
током через переход К-Э.
Переход база-эмиттер (эмиттерный
переход) за счет источника Еб смещен в
прямом направлении, а переход коллектор-база
(коллекторный переход) за счет источника
Ек смещен в обратном направлении. Переход
база-эмиттер – это диод, включенный в
прямом направлении. Переход коллектор-база
– это диод, включенный в обратном направлении.
Благодаря смещению перехода база-эмиттер
в прямом направлении электроны из эмиттера
n-типа переходят в базу p-типа и движутся
по направлению к обедненному слою на
переходе база-коллектор. Эти электроны,
являющиеся неосновными носителями в
области базы, достигнув обедненного слоя,
затягиваются полем объемного заряда
коллекторного перехода и стремятся к
минусу источника Ек, создавая тем самым
в транзисторе коллекторный ток.
Лишь малая часть электронов
в базе p-типа в процессе движения в сторону
коллектора рекомбинирует с дырками. Дело
в том, что база делается слабо легированной,
т.е. с низкой концентрацией дырок, и очень
тонкой. Когда электрон рекомбинирует
в базе, происходит кратковременное нарушение
равновесия, т.к. база приобретает отрицательный
заряд. Равновесие восстанавливается
с приходом дырки из базового источника
Еб. Этот источник является поставщиком
дырок для компенсации рекомбинирующих
в базе зарядов, и эти дырки образуют базовый
ток транзистора. Благодаря базовому току
в базе не происходит накопления отрицательного
заряда и переход база-эмиттер поддерживается
смещенным в прямом направлении, а это,
в свою очередь, обеспечивает протекание
коллекторного тока.
Если коллекторную цепь разорвать,
то все электроны циркулировали бы в цепи
база-эмиттер. При наличии коллекторной
цепи большая часть электронов устремляется
в коллектор.
Таким образом, транзистор является
прибором, который управляется током.
Уменьшение потока электронов через коллекторный
переход по сравнению с их потоком через
переход эмиттер-база характеризуется
коэффициентом передачи тока эмиттера a=Iк/Iэ. Обычно a=0,9…0.995. Отношение тока коллектора
к току базы называется коэффициентом
усиления тока базы в рассматриваемой
схеме включения транзистора (она называется
схемой с общим эмиттером). Этот коэффициент
обозначают h21Э. Он равен
h21Э=Iк/Iб>>1.
Обычно h21Э =10…300.
Физически в работе транзистора
принимают участие заряды двух типов (электроны
и дырки), поэтому он называется биполярным.
При рассмотрении смещенного
в прямом направлении перехода база-эмиттер
мы учитывали только электроны, пересекающие
этот переход. Такой подход оправдан тем,
что область эмиттера n-типа специально
легируется очень сильно, чтобы обеспечить
большое количество свободных электронов.
В тоже время область базы легируется
очень слабо, что дает настолько мало дырок,
что ими можно пренебречь при рассмотрении
тока через переход база-эмиттер.
Таким образом, транзистор является
усилительным прибором. В зависимости
от схемы включения он может обеспечивать
усиление по току, напряжению или по мощности.
Возможно одновременное усиление и по
току, и по напряжению, и по мощности.
2 Основные параметры
транзистора
1.
Коэффициент усиления по току.
Обычно используется коэффициент усиления
h21Э в схеме с общим эмиттером:
h21Э=Iк/Iб>>1,
(2.1)
где Iб - ток базы; Iк - ток коллектора.
Транзистор является как бы
узлом, как показано на рис. 19, поэтому
Iэ=Iб+Iк.
(2.2)
токи коллектора и эмиттера связаны соотношением:
Iк/Iэ=a<1.
(2.3)
Найдем связь a и h21Э.
a=Iк/(Iб+Iк)=1/(Iб/Iк+1)=1/(1/h21Э+1)=h21Э/(1+h21Э)
(2.4)
-это очень близко к
1. Аналогично находим:
h21Э=Iк/Iб=a/(1-a).
(2.5)
Иногда для получения большого
коэффициента усиления используется схема
составного транзистора, которая получается,
если два транзистора соединить по схеме:
Рисунок 2.1 – Схема составного
транзистора
Коэффициент усиления составного
транзистора:
Iк1= b1×Iб1;
Iк2=b2×Iб2;
Iб2=Iэ1=(1+b1)×Iб1;
Iк=Iк1+Iк2.
Из этих уравнений:
Iк=[b1+(1+b1)×b2]×Iб1»b1×b2×Iб1
(2.6)
Коэффициент усиления транзистора
h21э зависит от частоты, на которой работает
транзистор, и от тока коллектора. С увеличением
частоты h21Э падает.
Это связано с проявлением его инерционных
свойств в основном из-за наличия емкости
коллекторного перехода. Для большинства
транзисторов указывается граничная частота,
при которой коэффициент усиления равен
единице. Зависимость h21Э от тока
коллектора представлена на рис. 20.
Любое включение, отличное от
нормального, называется инверсным. Инверсия
- изменение знака. При этом h21Э сильно падает
и прибор перестает быть усилителем, хотя
и остается управляемым.
2. Напряжение
коллектор-эмиттер максимальное - Uкэ max.
Указывается при отключенной
(оборванной) базе или при конечном значении
сопротивления Rбэ, которое включается
как показано на рис. 22. Uкэ при оборванной
базе меньше, чем Uкэ при наличии Rбэ. Величина
Rбэ обычно указывается в справочнике.
В настоящее время выпускаются транзисторы
на напряжение до1500 В.
3. Ток коллектора максимальный - Iк max; ток коллектора импульсный
за определенное время - Iки>Iк max.
4. Частотные
свойства транзистора.
Различают: низкочастотные,
среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные
(СВЧ) – Таблица 1. Есть также импульсные
или переключательные транзисторы.
Обозначения транзисторов:
КТ ХХХ А, Б..., где
ХХХ – цифры; буквы А,Б…характеризуют
особенности электрических параметров.
Например, КТ 908- импульсный, КТ 315 - очень
распространен. ГТ ХХХ - германиевый транзистор.
Чем больше значения цифр, тем выше частотные
свойства и мощность транзистора. В настоящее
время существует большое количество
транзисторов с четырьмя цифрами в обозначении.
3 Схемы включения
транзисторов
В зависимости от того, какой из трех
выводов является общим для входной и
выходной цепи, различают три основные
схемы включения транзисторов: схема с
общим эмиттером, схема с общим коллектором,
схема с общей базой.
Схема с общим эмиттером
Схема с общим эмиттером используется
наиболее часто. Взаимосвязь токов и напряжений
в транзисторе устанавливают входные
и выходные характеристики. Входная характеристика
повторяет уже знакомую нам вольт-амперную
характеристику диода.
При изображении выходной характеристики
необходимо помнить, что коллекторный
переход работает в режиме диода, включенного
в обратном направлении.
Поэтому выходная характеристика
– это обратная ветвь вольт-амперной характеристики
диода, перенесенная в первый квадрант.
Выходных характеристик целое
семейство, т.к. они изображаются для разных
значений токов базы. При Iб=0 через транзистор
протекает тепловой ток Iк0 обратно
смещенного коллекторного перехода.
Коэффициент усиления входного
тока базы схемы с общим эмиттером h21Э=Iк/Iб. Схема обеспечивает
также усиление по напряжению и по мощности.
Cхема применяется как усилительная и
как ключевая.
3.1 Ключевой режим работы транзистора
Схема с общим эмиттером
с ключевым режимом работы транзистора
применяется для промежуточного усиления,
как схема сигнализации, как схема питания
электромагнитного реле.
Такая схема является
основой интегральных логических элементов.
Свойства транзистора как усилителя
тока описываются уравнением: Iк=h21Э×Iб, где h21Э>10. Из этого уравнения видно,
что регулируя сравнительно небольшой
ток базы, можно управлять значительным
током нагрузки, расположенной в коллекторе
транзистора.
Максимальный ток коллектора, который
можно получить в схеме с коллекторной
нагрузкой, равен:
Iк max≈Uпит/Rк .
(3.1)