Учебное пособие по курсу " Электроника и микроэлектроника" для студентов, обучающихся по направлению "Электроника и микроэлектроника"
| Вид материала | Учебное пособие |
| 2.Биполярные и полевые транзисторы 2.1.Основные характеристики биполярных транзисторов Eк- напряжение питания коллекторной цепи. В случаях, когда точное напряжение на открытом p-n |
- Программа вступительного экзамена в магистратуру по направлению 210100. 68 Электроника, 78.21kb.
- Рабочая учебная программа факультет №1 Неорганической химии и технологии Кафедра неорганической, 94.02kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины материалы и элементы электронной техники ооп 210100, 296.57kb.
- Программа государственного экзамена по направлению подготовки дипломированных специалистов, 83.37kb.
- Рабочая учебная программа по дисциплине: электротехника и электроника (Теоретические, 407.78kb.
- Курсовая работа по курсу: "Микроэлектроника и функциональная электроника" Допущено, 311.14kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины ф эфф 1-21/01 Государственное образовательное, 130.14kb.
- 210100. 62 – Электроника и микроэлектроника, 24.24kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины ф тпу 1- 21/01 федеральное агентство по образованию, 202.38kb.
- Программа вступительных испытаний в магистратуру кафедры «Проектирование и конструирование, 138.26kb.
2.Биполярные и полевые транзисторы
2.1.Основные характеристики биполярных транзисторов
Биполярный транзистор представляет структуру, образованную тремя слоями полупроводника с различным типом проводимости в соседних слоях, что приводит к образованию двух p-n переходов. Каждый из слоев структуры, участвующих в образовании переходов, имеет отдельный вывод и определенное название: крайние слои и соответствующие им выводы называются эмиттером и коллектором, средний слой и соответствующий ему вывод называется базой. Степень легирования слоев примесями различна, что не позволяет рассматривать структуру как симметричную:
Nэ>>Nб>Nк.
P-n переход, образованный слоями эмиттера и базы, называется эмиттерным, а слоями базы и коллектора – коллекторным.
В зависимости от типа проводимости слоев различают биполярные транзисторы со структурой n-p-n и p-n-p.
Для того чтобы транзистор мог выполнять полезные функции, на его электроды необходимо подать постоянные напряжения. При этом различают три схемы включения, отличающиеся выбором общего электрода, относительно которого напряжения подаются на два остальные: схемы с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).
С
татические характеристики транзистора, т.е. связи, существующие между постоянными токами и напряжениями в цепях транзистора, играют важную роль в схемотехническим проектировании, так как с их помощью осуществляется выбор рабочей точки, определяющий дифференциальные параметры транзистора и всего схемотехнического устройства в целом. Вид статических характеристик обусловлен свойствами двух входящих в состав структуры p-n переходов и их взаимосвязью. Так, в частности, при включении транзистора со структурой n-p-n по схеме ОБ (рис.2.1), ВАХ входной цепи или входная характеристика определяется уравнением, аналогичным (1.1):
(2.1)где Iэ0 – тепловой ток эмиттерного перехода.
Ток в цепи коллектора определяется, во-первых, током инжектированных в базу и дошедших до коллектора электронов Iэ, где - коэффициент передачи тока эмиттера, учитывающий потери инжектированных электронов на рекомбинацию в базе (<1). Во-вторых, в цепи коллектора, как и в цепи любого p-n перехода, протекает ток, аналогичный (2.1). В результате суммарный ток коллектора с учетом направления его компонент равен
(2.2)где Iк0- тепловой ток коллекторного перехода.
П
ренебрегая обратной связь между коллекторной и эмиттерной цепями (эффектом Эрли), а также зависимостью от Iэ, в первом приближении можно считать, что уравнения (2.1) и (2.2) описывают статические характеристики транзистора при включении ОБ. Так, например, связь между током коллектора и напряжением коллектор – база, а также связь между коллекторным и эмиттерным токами может быть установлена при помощи (2.2). Если принять, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении (условно Uбэ >0 или Uэб <0), а коллекторный – в обратном направлении (условно Uбк<0 или Uкб>0 и Uкб>>
), то 
(2.3)т.е. транзистор работает в активном режиме, при котором обеспечивается выполнение основной его функции – усиление электрических сигналов.
На рис.2.2 показан n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. Отмеченные направления токов соответствуют таким приложенным к электродам напряжениям, при которых транзистор работает в активном режиме. После ряда преобразований с использованием закона Кирхгофа для токов
(2.4)и соотношений (2.1) и (2.2) можно получить выражения для входного и выходного токов схемы на рис.2.2:
(2.5)
(2.6)где - коэффициент передачи тока базы.
В активном режиме (2.6) преобразуется к виду
Iк=Iб+Iк0(1+). (2.7)
Соотношения (2.4) – (2.6) в сочетании с законом Кирхгофа для напряжений
(2.8)позволяют установить связи между токами и напряжениями в цепях транзистора при включении ОЭ с учетом упрощений, указанных для включения ОБ. В процессе преобразований соответствующих выражений для нахождения необходимых зависимостей следует обращать внимание на последовательность индексов при напряжениях (например, Uкб=−Uбк).
Последовательность расчета характеристик транзистора с использованием приведенных выше соотношений зависит от заданных условий. Так, например, при включении в цепь базы источника тока Iб необходимо учитывать, что собственная компонента коллекторного тока Ip-n кол, не связанная с инжекцией и протекающая в цепи коллектор - база, при прямых смещениях перехода будет ограничена величиной Iб. При этом
Iб = Iб + Ip-n кол , (2.9)
где Iб– ток базы, сопутствующий инжекции носителей из эмиттера,
Iб'=(1-)Iэ. ( 2.10)
В том случае, когда необходимо найти координаты рабочей точки транзистора при наличии резисторов в его цепях, следует использовать законы Кирхгофа для напряжений. Например, при наличии резистора Rк в цепи коллектора (рис.2.3)
(2.9)где Eк- напряжение питания коллекторной цепи.
В случаях, когда точное напряжение на открытом p-n переходе транзистора определить невозможно из-за отсутствия необходимых данных, в первом приближении его можно принять равным 0,7 В.
Типичные схемы включения транзистора, в которых необходимый режим обеспечивается при помощи источника питания в цепи коллектора и резисторов в цепях коллектора и базы, показаны на рис.2.3 (схема с базовым сопротивлением, определяющим ток базы) и рис.2.4 (схема с базовым делителем, определяющим потенциал базы). В последней схеме для минимизации влияния Iб на величину потенциала базы величины сопротивлений резисторов делителя выбирают таким образом, чтобы ток через делитель значительно превосходил ток базы (Iдел=3÷10 Iб). В то же время слишком малые сопротивления резисторов снижают входное сопротивление усилительного каскада.
Дифференциальные параметры транзистора в рабочей точке находятся согласно их определению с использованием дифференцирования соответствующих выражений для токов и напряжений.