Почему база транзистора должна быть узкой?
Чтобы носители могли быстрее пройти от эмиттера до коллектора, и, соответственно, задержка переключения транзистора была меньше.
Это не у всех транзисторов она узкая. Например у КТ-315 (361) все три вывода одинаковой толщины. Это никакой роли не играет.
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.
Почему база транзистора должна быть узкой
УПС, страница пропала с радаров.
*размещая тексты в комментариях ниже, вы автоматически соглашаетесь с пользовательским соглашением
Вам может понравиться Все решебники
Мерзляк, Полонская, Якир
Рыбченкова
Рыбченкова, Александрова, Глазков
Рыбченкова
Рыбченкова, Александрова, Загоровская
Никишин, Стрелков, Томашевич
Комарова, Ларионова
©Reshak.ru — сборник решебников для учеников старших и средних классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте — авторский с подробными пояснениями профильными специалистами. Вы сможете скачать гдз, решебники, улучшить школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.
Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.
Биполярные транзисторы. Принцип работы и применение
В кратком обзоре мы попытались, насколько это было возможно, описать принцип действия биполярных транзисторов и привести примеры их применения. Разумеется, мы не сможем заменить этой статьей тысячи страниц, посвященные данной теме, но надеемся, что и приведенные нами сведения окажутся полезными читателю.
Введение
Датой создания биполярного транзистора считается 23 декабря 1947 г. В этот день транзистор был анонсирован в лаборатории Bell Telephone Laboratories компании American Telephone and Telegraph. Несмотря на то, что исследования велись уже более двух лет, появлению на свет транзистор обязан курьезу. 16 декабря 1947 г. инженер лаборатории Уолтер Браттейн ошибся с полярностью подаваемого на кристалл напряжения и неожиданно получил устойчивый эффект усиления сигнала.
В данном обзоре мы не будем углубляться в физические основы полупроводниковой электроники и сосредоточимся на принципах работы биполярных транзисторов и их использовании в практических схемах. Однако прежде чем переходить к описанию характеристик биполярных транзисторов и их применению в схемотехнике, необходимо вкратце рассмотреть основные понятия теории полупроводников. Для простоты изложения под полупроводником будем подразумевать кремний.
Краткие теоретические сведения
Напомним, что электроны в атоме располагаются только на разрешенных орбитах. Чем ближе орбита к ядру атома, тем сильнее связь электрона с ядром и тем больше энергии требуется, чтобы отделить электрон от атома. Можно сказать, что электроны находятся на разных энергетических уровнях.
Валентный уровень является самым верхним энергетическим уровнем. У многих атомов он заполнен не полностью, поэтому внешний электрон может быть захвачен атомом на этом уровне. Ниже расположена зона проводимости, в которой могут двигаться свободные электроны.
У проводников зона проводимости совпадает с валентной зоной, поэтому электроны в проводниках могут свободно перемещаться. В полупроводниках для перемещения из зоны проводимости в валентную зону электрону требуется придать лишь небольшую дополнительную энергию и электроны могут перемещаться в валентную зону за счет теплового движения. У диэлектриков разница энергий велика, и требуется значительное воздействие внешнего поля для перемещения электронов,в результате чего наступает пробой диэлектрика.
Для создания биполярного транзистора или диода требуется наличие полупроводников двух типов: n-типа и p-типа. Их получают с помощью легирования 4-валентного кремния полупроводниками с разной валентностью. Для получения n-типа используется примесь 5-валентного полупроводника. В этом случае примесь образует 4 связи с кремнием, а 5-й валентный электрон остается свободным и может покинуть валентную зону. Поэтому электрон является основным носителем заряда в полупроводнике n-типа, а 5-валентную примесь называют донором.
Получение кремния p-типа достигается за счет введения 3-валентного полупроводника, называемого акцептором. Он образует 3 связи с кремнием, а свободным остается 4-й электрон атома кремния, который может быть удален из валентной зоны, например при повышении температуры или воздействия внешнего электрического поля. Атом кремния с незаполненной валентной зоной имеет положительный заряд, его называют дыркой.
Атом кремния, в отличие от электрона, не может свободно перемещаться, поэтому когда ниже мы будем говорить о движении дырки, надо понимать, что это всего лишь удобная абстракция для описания. Впечатление о движении дырок создается из-за покидающих атомы кремния электронов, при этом кажется, что перемещаются положительно заряженные дырки, которые являются основным носителем заряда в полупроводнике p-типа.
Если соединить полупроводники n-типа и p-типа, начнется диффузия носителей (диффузионный ток). Электроны будут перемещаться в p-область, а дырки – в n-область ( рис. 1а ). Частично носители будут рекомбинировать, что приведет к уменьшению подвижных носителей заряда, а частично — расположатся в узкой области, которая называется p-n-переходом ( рис. 1б ).
Рис. 1. Процесс формирования p-n-перехода. Закрашенные кружки – электроны, незакрашенные – дырки
В области p-n-перехода возникает электрическое поле, препятствующее диффузии носителей, образуется потенциальный барьер ( рис. 1в ), для преодоления которого основным носителям требуется дополнительная энергия, в то время как неосновные носители, наоборот, будут перемещаться под воздействием электрического поля p-n-перехода – они создают дрейфовый ток. При отсутствии внешнего электрического поля диффузионный и дрейфовый ток уравновешивают друг друга.
Если приложить внешнее электрическое поле, направленное против электрического поля p-n-перехода, потенциальный барьер уменьшится, следовательно, диффузионный ток возрастет. В этом случае внешнее напряжение называют прямым смещением. При изменении полярности внешнего напряжения потенциальный барьер увеличится и возрастет дрейфовый ток: тогда приложенное напряжение называется обратным смещением.
Принцип работы биполярного транзистора
Биполярные транзисторы представляют собой полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Существуют два типа проводимости транзисторов — p-n-p и n-p-n. Схематичное устройство обоих типов, а также их позиционное обозначение показаны на рис. 2 . Транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора. На рис. 2 эти области обозначены буквами «Э», «Б» и «К» соответственно, стрелка эмиттера указывает направление протекания тока.
Рис. 2. Транзисторы: а) p-n-p типа; б) n-p-n типа
База транзисторов конструктивно имеет очень малую толщину, обычно не более 10 мкм, поэтому для перемещения основных носителей через базу им требуется небольшая энергия. Опишем принцип действия биполярного транзистора на примере n-p-n транзистора ( рис. 3 ).
Рис. 3. Принцип действия биполярного транзистора
Для включения транзистора к переходу база-эмиттер прикладывается прямое смещение U Б-Э , при этом понижается потенциальный барьер p-n-перехода и основные носители эмиттера электроны легко преодолевают его и инжектируются в область базы за счет энергии, полученной от внешнего поля. В области базы происходит процесс рекомбинации – небольшая часть инжектируемых носителей захватывается основными носителями базы – дырками, образуя ток базы I б . В процессе рекомбинации электроны переходят в валентную зону дырки, исчезает пара носителей заряда. Основная часть электронов пересекает тонкую область базы, достигает коллекторного перехода и попадает в область коллектора – происходит экстракция носителей. Ток IK1 коллектора связан с током эмиттера I Э соотношением:
где: α – коэффициент передачи эмиттерного тока, обычно α = 0.96–0,999.
Помимо коллекторного тока, через коллекторный переход в базу переносятся неосновные носители, дырки. Они образуют обратный ток коллектора IK0, иногда называемый начальным током. Таким образом, суммарный ток коллектора IK определится по формуле:
Как правило, IK1 >> IK0, поэтому обратным током можно пренебречь, в этом случае IK = IK1. Из закона Кирхгофа следует выражение (3) для токов транзистора:
Опуская промежуточные преобразования, окончательно получаем:
где: β = α/(1 – α), коэффициент передачи тока базы.
Величина β у современных биполярных транзисторов варьируется в пределах от нескольких десятков до нескольких тысяч единиц. Из формулы (4) следует, что транзистор является усилительным прибором, в котором малый ток базы управляет значительно б о ́ льшим током коллектора.
Рис. 4. Схемы включения транзистора: а) с общим эмиттером; б) общей базой; в) общим коллектором
Возможные схемы включения транзистора показаны на рис. 4 . Как правило, используются 3 схемы включения:
- с общим эмиттером (рис. 4а);
- с общей базой (рис. 4б);
- с общим коллектором (рис. 4в).
Рис. 5. Характеристики транзистора: а) входная; б) выходная
Статическая входная и выходная характеристики транзистора показана на рис. 5 . Входная характеристика представляет собой зависимость напряжения U Б-Э от тока базы I Б или тока эмиттера и схожа с вольтамперной характеристикой диода. В выходной характеристике отражены все режимы работы биполярного транзистора при разных входных токах.
В режиме отсечки управляющий ток отсутствует и транзистор выключен. В активном режиме переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база – в обратном. При этом транзистор находится в линейной области и работает в усилительном режиме, его выходной ток зависит от входного тока. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, выходной ток не зависит от входного, а определяется только сопротивлением нагрузки. Падение напряжения коллектор-эмиттер минимально и не превышает 0,1–0,2 В. Этот режим применяется при коммутации нагрузки, транзистор играет роль ключа, поэтому режим насыщения иногда называют ключевым режимом.
Следует иметь в виду, что на рис. 2 представлено схематичное изображение устройства транзистора, в котором коллектор и эмиттер имеют одинаковый размер, поэтому может показаться, что коллектор и эмиттер можно менять местами. Однако это совсем не так: в качестве примера на рис. 6 показано поперечное сечение транзистора, изготовленного по меза-планарной технологии ( рис. 6а ) и по диффузионно-планарной технологии ( рис. 6б ).Как видно из рисунка, коллектор и эмиттер транзисторов заметно отличаются размерами. Если при монтаже транзистора монтажник ошибется и перепутает эмиттер с коллектором, параметры транзистора ухудшатся, уменьшатся коэффициент усиления и рабочая полоса частот, увеличится падение напряжения коллектор-эмиттер U К-Э при работе в ключевом режиме.
Рис. 6. Поперечное сечение реального транзистора
Сегодня уже не удастся найти приложения, в которых усилительные схемы строятся целиком на дискретных биполярных транзисторах. Такие схемы используются только в качестве оконечных усилительных каскадов, а предварительное усиление и формирование сигналов реализуется на аналоговых микросхемах. Поэтому мы опустим описания малосигнальных параметров транзистора, но добавим несколько слов о частотных свойствах транзистора.
Инерционность транзистора обусловлена конечной скоростью перемещения носителей через область базы, что, в свою очередь, приводит к задержке при рассасывании и накоплении заряда в области базы. Еще одной причиной ограничения частотных свойств транзистора является паразитная емкость коллекторного перехода. Перечисленные особенности приводят к уменьшению коэффициента усиления транзистора с ростом частоты и уменьшения максимальной частоты переключения транзистора в ключевом режиме.
Примеры использования биполярного транзистора
Приведем несколько примеров использования биполярного транзистора в схемах, реализованных на практике.
Рис. 7. Источник тока для плавающей нагрузки
На рис. 7 показан источник тока для плавающей нагрузки (нагрузка не подключена к земле). Обратная связь с эмиттера транзистора обеспечивает поддержание задающего напряжения U ВХ на сопротивлении R1. Следовательно, через это сопротивление U ВХ /R1 поддерживается и постоянный ток эмиттера. Ток коллектора определяется из соотношения (3), а ток базы — из соотношения (4). Таким образом, чем больше коэффициент усиления β, тем меньше отличия токов I Э и IK.
Рис. 8. Двухполярный эмиттерный повторитель
На рис. 8 показан двухполярный эмиттерный повторитель. Напряжение обратной связи снимается с нагрузки, что позволяет поддерживать постоянное напряжение U ВЫХ = U ВХ на нагрузке и избегать искажений при выходном напряжении операционного усилителя в пределах U Б-Э n—p—n…. U Б-Э p—n—p.
Рис. 9. Коммутаторы нагрузки: а) однополярный; б) двухполярный
На рис. 9 показано использование биполярных транзисторов в схемах однополярного коммутатора (рис. 9а) и двухполярного коммутаторов нагрузки (рис. 9б). Транзисторы в этом случае работают в ключевом режиме. Верхний p-n-p транзистор VT1 (рис. 9б) открывается при отрицательном напряжении управления, нижний n-p-n транзистор открывается при положительном напряжении управления.
Почему биполярный транзистор может усиливать сигналы
Итак, мы уже знаем, что усиление электрических сигналов возможно в приборах с управляемыми потоками электрических зарядов. Однако сама по себе данная фраза ничего не значит. Возникает естественный вопрос: как, имея управляемый поток зарядов и подавая на вход слабый сигнал, на выходе прибора получить сильный сигнал?
Для начала, видимо, следует разобраться в том, что же такое усиление электрических сигналов. Предположим, что мы имеем источник электрического сигнала, который при определенном сопротивлении нагрузки может обеспечить некоторые ток и напряжение сигнала на ней. Если нас не удовлетворяет напряжение на нагрузке, то, используя простейшие пассивные элементы (например, трансформатор), мы можем легко поднять его до необходимого уровня. Расплатой за это будет падение сигнального тока. И наоборот, если мы увеличим ток — снизится напряжение. В любом случае полезная мощность сигнала \(P_C = U_С I_С\) , передаваемая в нагрузку, при добавлении любых пассивных компонентов в схему может только снижаться. Для увеличения этой мощности нужны так называемые активные компоненты — усилители. Именно они позволяют из слабых входных воздействий получать мощные сигналы на выходе устройства.
Что же необходимо для работы усилительного устройства? Рассмотрим простой пример. Водитель автомобиля давит на педаль газа, и чем большее усилие он прикладывает к маленькой педали, тем быстрее едет большой и тяжелый автомобиль. Однако всем известно, что автомобиль двигает не слабый водитель, а мощный двигатель. Т.е. педаль — это лишь средство воздействия на двигатель, который и выполняет всю работу. На таком же принципе основано действие и усилителей электрических сигналов. В них создается отдельный мощный сигнал, который и попадает на выход усилителя, а слабый входной сигнал лишь воздействует на этот мощный сигнал, заставляя его изменяться по тому же закону.
Как уже говорилось, в полупроводниках могут существовать потоки электрических зарядов. Если такой поток протекает от одного электрода полупроводникового прибора к другому, то между этими двумя электродами возникает электрический ток, абсолютная величина которого пропорциональна мощности потока (количеству перемещаемых за единицу времени зарядов). Очевидно, что при определенных условиях с помощью мощного внешнего источника питания мы можем создавать в полупроводниковых структурах самые разнообразные потоки зарядов. Вопрос, однако, заключается в том, как обеспечить воздействие на эти потоки слабого сигнала, который мы хотим усилить. Вернемся теперь к рассмотрению биполярного транзистора.
На рис. 1.2 показана схема, в которой на выводы эмиттера и коллектора транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа подано достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания плюсом к коллектору и минусом к эмиттеру. Если бы между эмиттерной и коллекторной \(n\)-областями транзистора не было тонкой базовой прослойки с проводимостью \(p\)-типа, то очевидно, что в полупроводнике возник бы мощный поток электронов от эмиттера к коллектору.
Рис. 1.2. Схема подачи напряжений на биполярный транзистор n-p-n-типа для обеспечения режима усиления
Однако на практике даже весьма тонкой базовой прослойки оказывается достаточно, чтобы предотвратить это явление. Все изменяется, если мы приложим к базе транзистора некоторое незначительное по величине и положительное относительно эмиттера напряжение (рис. 1.2). При этом эмиттерный p-n-переход транзистора оказывается под напряжением, соответствующим его проводящему состоянию, и в \(p\)-\(n\)-структуре эмиттер—база образуется поток электронов в том же направлении, в котором он мог бы возникнуть при отсутствии базовой области. Электроны, достигая базовой области, по логике должны уходить в базовый электрод, обеспечивая прохождение тока в цепи база—эмиттер транзистора, но на практике происходит другое. Подгоняемые большим напряжением, приложенным между коллектором и эмиттером, электроны быстро пролетают через узкую базовую область и уходят к коллекторному электроду, т.е. возникает тот самый мощный поток зарядов между эмиттером и коллектором, который мы не могли получить ранее. Только крайне незначительная часть электронов попадает в базовый электрод. Таким образом, мы имеем слабый ток в цепи эмиттер—база и сильный ток в цепи эмиттер—коллектор (напомним, что направление электрического тока считается противоположным направлению движения отрицательных зарядов, в нашем случае — электронов). Повышая напряжение на базе транзистора, мы будем наращивать мощность потока электронов, при этом токи в цепях будут расти соответственно.
Итак, оказывается, что в биполярном транзисторе можно создать сильный электрический ток в цепи «коллектор — эмиттер — внешний мощный источник питания» при достаточно слабом токе в цепи «база — эмиттер — маломощный источник сигнала». Причем данное слабое воздействие на базу оказывает управляющее действие на ток в коллекторно-эмиттерной цепи. Если далее в коллекторную или эмиттерную цепь транзистора (рис. 1.2) включить некоторое сопротивление (нагрузку), то окажется, что ток и напряжение на нем повторяют форму входного сигнала на базе транзистора, но мощность, подаваемая на него, гораздо выше мощности входного сигнала, т.е. происходит усиление.
Мы описали работу биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа. Для приборов \(p\)-\(n\)-\(p\)-типа все выглядит совершенно аналогично. Только здесь мы должны рассматривать не потоки электронов, а потоки положительных зарядов — дырок. При этом полярности всех внешних напряжений меняются на обратные. Других отличий нет.