2.2 Біполярні транзистори

Транзистор – напівпровідниковий прилад, що має складну внутрішню структуру, як правило з двома p – n переходами; призначений для посилення, генерації і комутації електричних сигналів.

Класифікація транзисторів за різними ознаками наступі :

1. По початковому напівпровіднику:

а) n-типу;

б) p- типу.

2. По величині розсіюваної потужності:

а)мала потужність (Р_mах ≤ 0,3 Вт);

б)середня (0,3<Р_mах< 1,5 Вт);

в)велика (Р_mах>1,5 Вт).

3. По частотних властивостях:

а)низькочастотні (ƒ_гран ≤ 3 МГц);

б)середньочастотні( 3 <ƒ_гран ≤ 30 МГц);

в)високочастотні (30 <ƒ_гран≤ 300 МГц);

г)ЗВЧ(ƒ_гран> 300 МГц).

4. По значенню робочої напруги:

а)низьковольтні (U_{допустимое}< 100 В);

б)високовольтні (U_{допустимое}> 100 В).

5. По функціональному призначенню:

а)універсальні;

б)підсилювальні;

в)генератори;

г)перемикачі.

6. За способом формування і управління вихідними струмами:

а)біполярні;

б)польові.

Є чотири основні режими роботитранзистора:

1. Активний,коли емітерний перехід зміщують в прямому напрямі, а колекторний — в зворотному, тобто коли транзистор є підсилювачем потужності.

2. Відсічення, коли обидва переходи зміщені у зворотному напрямі.

3. Насичення,коли обидва переходи зміщені в прямому напрямі.

4. Інверсний,коли еміторний – зворотньозміщений, а колекторний – прямозміщений.

Біполярний транзистор – прилад, керований струмом.

Процеси, що відбуваються в транзисторі, викликають рух електроніву виводах, які підводять зовнішню напругу. По них протікають емітернийІ_э, базовий І_Бі колекторний І_кструми. Слід розібратися, які процеси приводять до появи цих струмів. Необхідно добре засвоїти основний висновок з розгляду фізичного принципу дії біполярного транзистора, тобто вимагається знати і уміти використовувати основне співвідношення, що зв'язує три струми транзистора:

І_э =І_к +І_Б

Оскільки концентрація основних носіїв в базі і її товщина якнайменша, то процес рекомбінації в базі мінімальний і тому

І_к »І_Б.

Транзистори поділяються на дві великі групи в залежності від структури p-nпереходів – це p-n-p – типу і n-p-nтипу. На рисунку 3.1 зображені структури транзисторів та їх графічне позначення

Рисунок 3.1– Структури транзисторів та їх графічне позначення

Найбільше практичне застосування знайшли h – параметри, при яких І_вх, U_вих – незалежні змінні; U_вх,І_вих, – залежні змінні.

U_вх= h₁₁I_вх + h₁₂ U_вих

I_вих = h₂₁I_вх + h₂₂ U_вих

вхідний опір Ом, кОм;

коефіцієнт ОС по напрузі (відносні одиниці);

коефіцієнт передачі струму (відносні одиниці);

вихідна провідність, Ом, мОм, мкОм.

Порядок величин hпараметрів

Параметр	Схема ОЕ	Схема ОБ
h11	Сотні Ом – одиниці кОмl	Десятки Ом
h12	10-3 – 10-4	10-3 – 10-4
h21	– десятки або сотні	α= 0,95 ÷ 0,998 тобто α≈1 α
1/h22	Одиниці і десятки кОм	Сотні кОм

Максимально допустимими параметрами називаються значення режимів транзисторів, які не можнаперевищувати ні за яких умов експлуатації і при яких ще забезпечується задана надійність.

I_{к.max ,} I_{э.max ,} I_б.max– максимально допустимий постійний струм.

I_{к.нас.max ,} I_{б.нас.max}–максимально допустимий струм в режимі насичення.

Струми обмежуються допустимою температурою нагріву р-nпереходу.

U_{кб.max ,} U_{эб.max, ,} U_кэ.max– максимально допустима постійна напруга,

U_{кэ. и. max ,} U_{кб. и. max}– максимально допустима імпульсна напруга.

Граничні параметри по напрузі обмежуються міцністю до пробою р-nпереходу.

Р_к.max – максимально допустима постійна розсіювана потужність.

Р_к.ср.maxдопустима розсіювана середня імпульсна потужність.

Р_к.и.max – допустима імпульсна розсіювана потужність.

Р_к.max.Т –– максимально допустима розсіювана потужність з теплоотводом.

Обмежуючим чинником потужності є температура р-nпереходу.

Слід розрізняти роботу транзистора в статичному режимі при постійному струмі, який задається постійними напругами, що подаються на емітерний і колекторний переходи. Ці напруги визначають положення робочої точки. Постійна напруга, що подається на емітерний перехід, називається напругою зсуву.

Проте такий режим роботи для транзистора не є робочим. Робочим режимом, що має практичне застосування, є режим роботи з навантаженням. Далі слід розібратися у тому, що основна властивість транзистора — підсилювальна, яка полягає в наступному: опір емітерного переходу малий, невеликі зміни сигналу на вході викликають великі зміни струму на вході, отже, і на виході. Опір колекторного переходу, включеного у зворотному напрямі, великий, і опір навантаження теж повинен бути великим, тому на навантаженні виділиться набагато більша змінна напруга, ніж подана на вхід напруга сигналу, а також і велика потужність, тобто транзистор володіє підсилювальними властивостями. Посилення сигналу, таким чином, зводиться до перетворення постійного струму джерела в змінний струм, який змінюється за законом поданого сигналу.

Необхідно з'ясувати, що в режимі роботи транзистора з навантаженням, наприклад, в схемі з ОБ, напруга на колекторі при зміні напруги на емітері не залишається постійною і рівною Ек, якв статичному режимі, а змінюється за рахунок падіння напруги на опорі навантаження. Слід пам'ятати, що рівняння характеристики навантаження U_КБЕ_К – I_KR_Нпишеться на підставі другого закону Кірхгофа для колекторного ланцюга; аналітично це рівняння є рівнянням прямої, яка будується по точках перетину з осями координат I_K, U_КБ, і виражає залежність струму колектора від напруги колектора в робочому режимі.

Потрібно знати, що робоча точка лежить в точці перетину характеристики навантаження із статичною, відповідною значенню вхідного струму за відсутності сигналу (струму зсуву), а проекція робочої точка на вісь абсцис дає значення колекторної напруги U_КБ в робочій точці, а проекція на вісь ординат дає значення колекторного струму I_K в робочій точці. Крім того, необхідно розібратися і запам'ятати, що положення характеристики навантаження щодо осей координат залежить від вибраних значень Екджерела і R_Нопору навантаження.

Динамічний режим транзистора– це режим роботи з навантаженням у вихідному ланцюзі і джерелом сигналу у вхідному.

Рисунок 3.2 – Динамічний режим транзистора

Рівняння прямої навантаження:

U_кэ=Е_к–I_rR_н

Її можна будувати по двох точках перетину з осями координат:

т.М (I_к =0, U_кэ=Е_к),

т.N (U_кэ=0, I_к = ).

При вивченні транзисторів необхідно знати області режимів роботи транзистора:

1. область відсічення;

2. область насичення;

3. область активного підсилювального режиму;

4. графік допустимої величини Р_кв безперервному режимі;

5. обмеження по струму;

6. обмеження по напрузі.

Рисунок 3.3 – ВАХ і області роботи транзистора

Слід ознайомитися з основними електричними параметрами транзистора

h_21Э, f _ГР , I _КБО, С_К,,I_КЭО , К_Ш ,а також з параметрами граничного режиму

Р _{К макс}, U_{КЭ макс}, U_{КБ макс}, I_{К макс}, t_iмакс,U_{БЭ макс}, R_{Т п.с.},необхідно з'ясувати фізичне значення цих параметрів, розібратися в чинниках, якими обмежуються гранично допустимі експлуатаційні параметри.

Класифікуються транзистори в основному по максимально допустимій розсіюваній потужності і діапазону робочих частот. Ці відмінності визначають позначення транзисторів. Необхідно як слід розібратися в системі позначення транзисторів і навчитися користуватися довідковим матеріалом для вибору транзистора.

Для кращого розуміння процесів, що відбуваються в транзисторах, їх відмінностей, достоїнств і недоліків слід враховуватитехнологічні методи виготовлення і конструкції різних типів транзисторів.