WWW.REFERATCENTRAL.ORG.UA - Я ТУТ НАВЧАЮСЬ

... відкритий, безкоштовний архів рефератів, курсових, дипломних робіт

ГоловнаТехнічні науки → Принцип роботи транзистора - Реферат

Принцип роботи транзистора - Реферат

Реферат на тему:

Принцип роботи транзистора

Біполярний транзистор - трьохелектродний напівпровідниковий прилад з двома, розміщеними на близькій віддалі паралельними pn - переходами. Конструкції біполярного транзистора схематично показані на рис. 50, там же наведені відповідні позначення. Як видно з рис. 50, транзистор складається з трьох основних областей: емітерної, базової та колекторної. До кожної з областей існує омічний контакт. Для того, щоб транзистор володів підсилювальними властивостями, товщина базової області повинна бути меншою за дифузійну довжину неосновних носіїв заряду, тобто більша частина носіїв, інжектованих емитером, не повинна рекомбінувати дорогою до колектора.

На межах між p та n областями виникає область просторового заряду, причому електричні поля в емитерному і колекторному переходах напрямлені так, що для pnp транзистора базова область створює енергетичний бар'єр для дірок, які стараються перейти з емитера в колектор, для npn транзистора базова область створює аналогічний бар'єр для електронів емитерної області. При відсутності зовнішнього зміщення на переходах потоки носіїв заряду через переходи скомпенсовані і струми через електроди транзистора відсутні.

Рис. 51. Діаграми, які пояснюють роботу біполярних транзисторів: (а) зміщення на переходах відсутнє; (б) емітерний перехід зміщений в прямом напрямку, колекторний у зворотньому.

Для того, щоб транзистор працював в режимі підсилення вхідного сигналу, емітерний перехід зміщують в прямому напрямку, колекторний у зворотньому, відповідні діаграми показані на рис. 51. Прикладене до емітерномго переходу зміщення зменшує потенційний бар'єр і з емітера в базу інжектуються дірки (в pnp транзисторі) чи електрони (в npn транзисторі), інжектовані носії проходять товщу бази і досягають колектора. Між базою та колектором бар'єру немає, тому усе носії заряду, що дійшли до колектора переходять через колекторний перехід і створюють колекторний струм. Оскільки колекторний перехід розміщений близько від емітерного, основна частина інжектованих емітером носіїв досягає колектора, таким чином інжекційний струм емітера приблизно рівний струмові колектора. В той же час потужність, яка затрачена у вхідному емітерному колі на створення струму, менша за потужність, яка виділяється у вихіднім колекторнім колі, тобто має місце підсилення потужності. Таким чином, вхідний сигнал, змінюючи висоту потенційного бар'єру, модулює потік неосновних носіїв, які створюють колекторний струм і, відповідно, підсилений за рахунок енергії колекторної батареї вихідний сигнал.

На рис. 52 показані енергетичні діаграми для pnp та npn транзисторів, які відповідають діаграмам, що наведені на рис. 51б.

Рис. 52. Енергетичні діаграми pnp (а) та npn (б) транзисторів в активному режимі: емітерний перехід зміщений в прямому напрямку, колекторний у зворотньому.

На рис. 52 показані потоки носіїв, які вносять основний вклад в струми через електроди транзистора. Як видно з рисунка, при прямому зміщенні емітерного переходу, поряд з потоком 1 носіїв, які інжектовані з емітера, можлива також інжекція з бази в емітер носіїв другого знаку, потік 2. Цей інжекційний струм не проходить через колекторне коло, а, отже, і не сприяє підсиленню сигналу, тому його стараються зробити як можна меншим. Це досягається за рахунок того, що степінь легування емітера задається значно вищою, аніж степінь легування бази, тоді, відповідно, і інжекційний струм емітера є вищим за інжекційний струм бази.

Оскільки колектор зміщений у зворотньому напрямку, висота енергетичного бар'єру для основних носіїв в базі та колекторі є велика, і їх інжекція через колекторний перехід відсутня. Через колекторний перехід можуть проходити тільки потоки неосновних носіїв заряду, переміщенню яких не перешкоджає поле ОПЗ: це, перш за все, забезпечуючий підсилення сигналу потік носіїв, які пройшли через базу, і інжектованих емітером, та потік неосновних носіїв, що генеруються в базі, і створюють діркову складову струму втрат колекторного переходу.

Перенесення зарядів через транзистор можна охарактериувати наступними рівняннями:

Для pnp транзистора:

(4_1)

Коефіцієнт інжекції емітерного переходу γ показує, яка частина емітерного струму складається з заряду, що інжектований в базу. Оскільки тільки інжектовані носії створюють ефект підсилення, бажано, щоб коефіцієнт інжекції був би як можна вищим (переважно α > 0,99).

Не усі інжектовані емітером носії доходять до колектора, деяка їх частина рекомбінує:

(4_2)

Коефіцієнт перенесення показує, яка частина інжектованих носіїв дішла до колектора, не прорекомбінувавши. Коефіцієнт перенесення залежить від часу життя неосновних носіїв у базі та її довжини. Іменно потреба забезпечити перенесення інжектованих носіїв через базу транзистора висуває вимогу, щоб дифузійна довжина була більшою за товщину бази транзистора Lp>>W. Виконання цієї умови дозволяє забезпечити високі значення коефіцієнта перенесення (переважно α > 0,98).

Колекторний струм складається із струму носіїв заряду, що інжектовані емітером, та струму втрат колекторного переходу Iкоб (індекс б означає, що розглянута схема є схемою зі спільною базою - ОБ), тому, враховуючи (4_1) та (4_2), запишемо:

(4_3)

Чим є вищим коефіцієнт передачі емітерного струму в колекторне коло, тим є вищим підсилення транзистора за потужністю, тому деколи цей коефіцієнт називають коефіцієнтом підсилення транзистора в схемі зі спільною базою (рис. 51б, 52), однак цей коефіцієнт завжди є меншим за одиницю, якщо не відбувається лавинного множення носіїв у колекторному переході. Зазначений ефект може відбуватися при порівняно високих напругах і деколи використовується в спеціально сконструйованих транзисторах, в цьому випадку:

α = γκM (4_4)

M = Iк/Ipк - коефіцієнт, що характеризує множення неосновних носіїв, які дійшли до колектора.

Коефіцієнти γ та κ характеризують вклад інжекційних та рекомбінаційних процесів у колекторний струм, тобто в роботу транзистора та його характеристики.

Для npn транзистора можна написати співвідношення, аналогічні (4_1) - (4_4), при цьому зміняться тільки індекси, що позначають тип носіїв заряду.

Запишемо основні рівняння, які характеризують співвідношення між струмами транзистора:

Iэ = Iк + Iб,Iк = Iэ + Iкб. (4_5)

Для струму Iб можна записати:

Iб = Iэ - Iк = Iэ - αIэ = Iэ(1 - α) - Iкб. (4_6)

Постійне зміщення на емітерному та колекторному переходах задає неякі значення струмів та напруг на емітерному та колекторному переходах: Iе0, Uе0, Iк0, Uк0, які характеризують деяку статичну робочу точку на вхідних і вихідних характеристиках. Переважно, для характеристики робочої точки використовують значення струму у вихідному колі, наприклад, для схеми рис. 52, 53 це будуть: Iк0, Uк0.

У підсилювальному каскаді для задання зміщення на емитерний та колекторний переходи не обов'язково використовувати дві батареї. Для задання зміщення на емітерний перехід, як правило, використовується резистивний дільник, як це показано на рис. 54, який ілюструє три можливих способи задання вхідного сигналу відносно вихідного та відповідні еквівалентні схеми каскадів за змінним сигналом: схема зі спільним для вхідного та вихіднго кіл базовим електродом - СБ, емітерним електродом - СЭ та колекторним - СК (при складанні еквівалентних схем за змінним струмом опір батарей приймається рівним нулю).

Рис. 53. Три схеми увімкнення джерела сигналу та навантаження в підсилювальному каскаді і відповідні схеми заміщення каскадів за змінним струмом.

Сигнал від зовнішнього джерела може супроводжуватисья зміною струмів через електроди транзистора та напруг на його електродах:

Iе(t) = Iе0 + ΔIе(t), Uе(t) = Uе0 + ΔUе(t);Iб(t) = Iб0 + ΔIб(t), Uб(t) = Uб0 + ΔUб(t);Iк(t) = Iк0 + ΔIк(t), Uк(t) = Uк0 + ΔUк(t).

Будемо використовувати для позначення сигналів замість приростів прописні букви, тоді для коефіцієнтів передачі за струмом з (3.5), (3.6) для схем СБ, СЕ, СК отримаємо:

Kiб = iк/iе = α, Kiе = iк/iб = α./(1- α.), Kiк = it/iк = 1/(1-α)

Часто для коефіцієнта передачі струму в схемі зі спільним емітером використовують значок β = Kiе = α./(1- α.). Тоді Kiк = 1/(1-α)= β+1. Коефіцієнт α < 1 і, як правило, складає 0,98 - 0,99, при цьому, відповідно, коефіцієнт β >> 1 та складає 49 - 99. Таким чином, для схем СЕ та СК має місце підсилення струму.

Використана література:

  1. Основы промышленной электроники/ Под ред. В.Г. Герасимова. -М.: Высшая школа, 1978.

  2. Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной электроники. -М.: Высшая школа, 1975.

  3. Миклашевский С.П. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1973.

  4. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1988.

  5. Основы промышленной электроники/Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: высшая школа, 1982.

  6. Гершунский В.С. Основы электроники. - К.: Вища школа, головн. из-во, 1982.

  7. Жеребцов И.П. Основы электроники. - Л.:Энергоатомиздат, 1985.

Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование. - М.: Высшая школа, 1986.


 
 

Цікаве

Загрузка...