Статический и динамический режимы работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой 3-слойную структуру p-n-p или n-p-n типов с двумя электронно-дырочными переходами. Он служит для усиления, генерации и коммутации электрических сигналов. Структурно биполярный транзистор содержит три области с различными типами проводимости n-p-n или p-n-p, которые соответственно называются эмиттером (Э), базой (Б) и коллектором (К). P-n-переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, между коллектором и базой – коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благодаря тому, что расстояние между ними (толщина области базы) много меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе.

На условном графическом изображении транзисторов p-n-p и n-p-n типов (рис.5.1.) стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Существует три основные схемы включения транзистора: схема с общим эмиттером ОЭ, с общей базой ОБ и общим коллектором ОК.

Если к эмиттерному переходу подключить источник ЭДС E_Э в прямом направлении, а к коллекторному источник – E_К в обратном, то такой режим работы транзистора называется активным. В этом случае сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения тока в рабочем диапазоне в этом переходе достаточно напряжения Е_Э в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, поэтому напряжение Е_К обычно составляет единицы или десятки вольт. Напряжения между электродами транзистора связаны зависимостью

. (5.1)

При работе транзистора в активном режиме обычно U_БЭ<<U_КБ и, следовательно, U_КЭ≈U_КБ.

Рассмотрим физические процессы в активном режиме, протекающие в транзисторе p-n-p-типа включенного по схеме с ОБ (рис.5.2).

При увеличении прямого входного напряжения U_БЭ понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера I_Э. Дырки, инжектированные из эмиттера в базу, благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход. Так как коллекторный переход находится под обратным напряжением, то его электрическое поле способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход дырок, пришедших в базу из эмиттера, т.е. втягивает дырки в область коллекторного перехода, увеличивая ток коллектора I_К.

Так как толщина базы достаточно мала и концентрация электронов в ней невелика, то лишь небольшая часть дырок рекомбинирует в базе с электронами, образуя ток базы I_Б. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа:

. (5.2)

При изменении входного напряжения в такой схеме на ∆U_ВХ = ∆I_Э∙r_ЭБ ток эмиттера изменится на величину ∆I_Э, вызывая изменения коллекторного тока на ∆I_К и выходного напряжения на ∆U_ВЫХ = ∆I_К∙R_Н. Так что коэффициент усиления по напряжению:

. (5.3)

Поскольку коэффициент усиления по току , а R_Н>>r_ЭБ, то Кu>>1. Если учесть, что I_К≈I_Э, то коэффициент усиления по мощности для схемы с ОБ , т.е. схема ОБ обеспечивает усиление по напряжению, мощности и не усиливает по току (α<1).

Схема с общим эмиттером (ОЭ) усиливает сигнал по напряжению, току и мощности.

Коэффициент передачи по току этой схемы .

В схеме с общим коллектором (ОК) коэффициент передачи по току , U_ВЫХ<U_ВХ, а K_U<1, имеем усиление по току, что позволяет использовать такую схему для согласования с низкоомной нагрузкой (Zвых<<Zвх).

Следует отметить зависимость коэффициентов α, β и γ от тока I_Э(I_К). При малых значениях тока I_Э сказывается рекомбинация дырок в базе, приводящая к уменьшению I_К и коэффициентов α, β и γ. При значительном токе I_Э база насыщается носителями зарядов, выходной ток не увеличивается, поэтому α, β и γ уменьшаются. Таким образом, α, β и γ имеют экстремальный характер зависимости от I_Э(I_К).

На режим работы биполярного транзистора влияет обратный (тепловой) ток I_КБ0 коллекторного перехода, экспоненциально увеличивающийся с увеличением температуры и не зависящий от U_К (см. рис.5.2). Наибольшее влияние теплового тока сказывается в схеме с ОЭ, для которой с учетом тока I_КБ0 ток .

Для схемы с ОБ с учетом тока I_КБ0 ток I_К = αI_Э+I_КБ0.

Рис. 5.3. Схема замещения транзистора активным линейным четырехполюсником.

Для малых сигналов свойства транзистора определяются четырьмя параметрами, вывод которых основан на замене транзистора активным линейным четырехполюсником (рис.5.3).

В зависимости от схемы включения транзистора величинам U1, I1, U2, I2 будут соответствовать конкретные значения токов и напряжений. Так для схемы включения с ОЭ: U1 = U_БЭ; U2 = U_ЭК; I1 = I_Э; I2 = I_К.

В системе h-параметров в качестве независимых переменных принимают входной ток I1 и выходное напряжение U2, а ток I2 и напряжение U1 выражают через независимые: U1 = f1(I1,U2); I2 = f2(I1,U2). Для схемы с ОЭ будем иметь:

(5.4)

Коэффициенты h находятся по входным и выходным характеристикам транзистора:

при U_КЭ = const (∆U_КЭ = 0) - входное сопротивление при неизменном выходном напряжении;

при I_Б = const (∆I_Б = 0) – коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе;

при U_КЭ = const (∆U_КЭ = 0) – коэффициент передачи тока при неизменном выходном напряжении;

при I_Б = const (∆I_Б = 0) – выходная проводимость при неизменном входном токе.

Все h–параметры находятся из режимов х.х. на входе и к.з. – на выходе по переменной составляющей.

Для схемы с ОЭ h–параметры находятся из характеристических треугольников, построенных на статических характеристиках I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ = const и I_К = f(U_КЭ) при I_Б = const (рис.5.4).

Из семейства входных характеристик находим (Рис.5.4а):

(5.5)

Из семейства выходных характеристик находим (рис.5.4б)

(5.6)

Все выше рассмотренные характеристики и параметры транзисторов относились к статическому режиму.

В рабочем режиме в цепь коллектора подключается нагрузка, поэтому ток в выходной цепи определяется как изменением входных тока и напряжения, так и напряжением коллектор – эмиттер U_КЭ. В связи с этим U_КЭ = E_К – I_К*R_Н. Это уравнение называется выходной нагрузочной характеристикой, которую строят по двум точкам А и В (рис.5.5б) в координатах (I_К, U_КЭ) при заданных R_К и E_К. Из режима х.х.: I_К = 0. Тогда U_КЭ = Е_К (точка А). Из режима к.з.: U_КЭ = 0, (точка В). Полученная таким образом нагрузочная характеристика АВ (рис.5.5б) отражает зависимость тока I_К коллектора от изменяющихся тока базы I_Б, и находящегося с ним в зависимости напряжения на коллекторе U_КЭ при условиях E_К = const и R_Н = const. Точки пересечения линии АВ со статическими выходными характеристиками определяют значения тока коллектора I_К при заданном токе I_Б базы. Так при I_Б = I_Б2 ток I_К = I_К2, а I_К2*R_К = E_К – U_К2.

ББ

Входная нагрузочная характеристика транзистора связывает входное напряжение U_БЭ с входным током I_Б при неизменных Е_К и R_Н (рис.5.5). Для ее построения необходимо произвести ряд действий:

- построить нагрузочную характеристику;

- по точкам пересечения линии нагрузки АВ со статическими характеристиками определить I_Б и U_КЭ;

- перенести их на семейство статических входных характеристик;

- полученные точки соединяют плавной кривой.

При напряжениях U_КЭ>0,5В динамическая входная характеристика практически совпадает со статической.

На динамической выходной характеристике задается точка покоя Р (рис.5.5,б) транзистора. При отсутствии входного сигнала ее координаты (I_К0, U_К0) определяются параметрами коллекторной цепи, зависящими от сопротивления нагрузки, а так же цепями смещения устанавливаемыми во входную цепь (на рисунках не показаны). Для смещения точки покоя Р изменяют ток I_Б0 и напряжение U_БЭ0 смещения во входной цепи.

Работа транзистора может происходить в четырех режимах (Рис.5.5,б), каждый из которых определяется полярностью напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах:

1) активный режим (1-Б), используемый для усиления и генерации сигналов; его получают когда эмиттерный переход смещен в прямом, а коллекторный – в обратном направлениях;

2) инверсный режим (на рисунке не показан, т.к. находится в третьем квадранте выходных характеристик), противоположный активному, при этом эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный – в прямом;

3) режим отсечки (А-1) – транзистор заперт; этот режим, используемый для коммутации электрических цепей, получают когда оба p-n-перехода смещены в обратном направлении, а в цепи коллектора протекает тепловой (обратный) ток I₀;

4) режим насыщения (точка Б) - оба перехода смещены в прямом направлении, через транзистор протекает ток насыщения, ограничиваемый только сопротивлением R_К, а падение напряжения на транзисторе минимальное.