Tranzistoarele bipolare au următorii electrozi. Circuite de comutare pentru tranzistoare bipolare

Pagina 1 din 2

Proiectarea și principiul de funcționare a unui tranzistor bipolar

Un tranzistor bipolar este un dispozitiv semiconductor care are două joncțiuni electron-gaură formate într-un singur cristal semiconductor. Aceste tranziții formează trei regiuni în semiconductor cu diferite tipuri de conductivitate electrică. O regiune extremă se numește emițător (E), cealaltă - colector (K), mijlocul - baza (B). Cablurile metalice sunt lipite de fiecare zonă pentru a conecta tranzistorul la circuitul electric.
Conductivitatea electrică a emițătorului și a colectorului este opusă conductivității electrice a bazei. În funcție de ordinea de alternanță a regiunilor p și n, se disting tranzistoarele cu structuri p-n-p și n-p-n. Simbolurile grafice convenționale pentru tranzistoarele p-n-p și n-p-n diferă numai în direcția săgeții de la electrodul care indică emițătorul.

Principiile de funcționare ale tranzistoarelor p-n-p și n-p-n sunt aceleași, așa că în viitor vom lua în considerare doar funcționarea unui tranzistor cu o structură p-n-p.
O joncțiune electron-gaură formată dintr-un emițător și o bază se numește joncțiune emițător, iar o joncțiune colector și bază se numește joncțiune colector. Distanța dintre joncțiuni este foarte mică: pentru tranzistoarele de înaltă frecvență este mai mică de 10 micrometri (1 μm = 0,001 mm), iar pentru tranzistoarele de joasă frecvență nu depășește 50 μm.
Când tranzistorul funcționează, joncțiunile sale primesc tensiuni externe de la sursa de alimentare. În funcție de polaritatea acestor tensiuni, fiecare joncțiune poate fi pornită fie în direcția înainte, fie în sens invers. Există trei moduri de funcționare ale tranzistorului: 1) modul de tăiere - ambele tranziții și, în consecință, tranzistorul sunt complet închise; 2) modul de saturație - tranzistorul este complet deschis 3) modul activ - acesta este un mod intermediar între primele două; Modurile de tăiere și de saturație sunt utilizate împreună în etape cheie, când tranzistorul este alternativ complet deschis sau complet închis cu frecvența impulsurilor care ajung la baza sa. Cascadele care funcționează în modul de comutare sunt utilizate în circuitele cu impulsuri (surse de alimentare comutatoare, trepte de ieșire de scanare orizontală ale televizoarelor etc.). Etapele de ieșire ale amplificatoarelor de putere pot funcționa parțial în modul de întrerupere.
Tranzistoarele sunt folosite cel mai adesea în modul activ. Acest mod este determinat prin aplicarea unei mici tensiuni la baza tranzistorului, care se numește tensiune de polarizare (U cm) Tranzistorul se deschide ușor și curentul începe să curgă prin tranzițiile sale. Principiul de funcționare al tranzistorului se bazează pe faptul că un curent relativ mic care curge prin joncțiunea emițătorului (curent de bază) controlează un curent mai mare în circuitul colectorului. Curentul emițătorului este suma curenților de bază și de colector.

Moduri de funcționare ale unui tranzistor bipolar

Modul de întrerupere tranzistorul se obține atunci când joncțiunile emițătorului și colectorului p-n sunt conectate la surse externe în sens opus. În acest caz, curenți foarte mici de emițător invers curg prin ambele joncțiuni pn ( eu EBO) Și colecționar ( Eu KBO). Curentul de bază este egal cu suma acestor curenți și, în funcție de tipul de tranzistor, variază de la unități de microamperi - µA (pentru tranzistoarele cu siliciu) la unități de miliamperi - mA (pentru tranzistoarele cu germaniu).

Dacă joncțiunile p-n emițătorului și colectorului sunt conectate la surse externe în direcția înainte, tranzistorul va fi în modul de saturație . Câmpul electric de difuzie al joncțiunilor emițătorului și colectorului va fi parțial slăbit de câmpul electric creat de surse externe U EBŞi U KB. Ca urmare, bariera de potențial care a limitat difuzia purtătorilor principali de sarcină va scădea și va începe pătrunderea (injecția) găurilor de la emițător și colector în bază, adică curenți numiți curenți de saturație ale emițătorului vor curge prin emițător și colector al tranzistorului ( Eu E.us) și colecționar ( Eu K.us).

Folosit pentru amplificarea semnalelor modul activ de funcționare al tranzistorului .
Când tranzistorul funcționează în modul activ, joncțiunea emițătorului său este pornită în direcția înainte, iar joncțiunea colectorului este pornită în direcția inversă.

Sub tensiune continua UEB găurile sunt injectate de la emițător în bază. Odată ajunse la baza de tip n, găurile devin purtători minoritari de sarcină în ea și, sub influența forțelor de difuzie, se deplasează (difuz) către joncțiunea colector p-n. Unele dintre găurile din bază sunt umplute (recombinate) cu electronii liberi prezenți în ea. Cu toate acestea, lățimea bazei este mică - de la câteva unități la 10 microni. Prin urmare, partea principală a găurilor ajunge la joncțiunea p-n a colectorului și este transferată prin câmpul său electric către colector. Evident, curentul colectorului eu K p nu poate exista mai mult curent de emițător, deoarece unele dintre găuri se recombină în bază. De aceea eu K p = h 21B eu uh
Magnitudinea h 21B se numește coeficientul de transfer static al curentului emițătorului. Pentru tranzistoare moderne h 21B= 0,90...0,998. Deoarece joncțiunea colectorului este comutată în direcția opusă (deseori spus - polarizat în direcția opusă), curentul invers curge și el prin ea eu BWC , format din purtători minoritari ai bazei (găuri) și colector (electroni). Prin urmare, curentul total de colector al unui tranzistor conectat conform unui circuit cu o bază comună

euLa = h 21B eu uh +IBWC
Găurile care nu au ajuns la joncțiunea colectorului și recombinate (umplute) în bază îi conferă o sarcină pozitivă. Pentru a restabili neutralitatea electrică a bazei, îi este furnizat același număr de electroni din circuitul extern. Mișcarea electronilor de la circuitul extern la bază creează un curent de recombinare în acesta I B.rec.În plus față de curentul de recombinare, curentul de colector invers curge prin bază în direcția opusă și curentul de bază complet
I B = I B.rek - I KBO
În modul activ, curentul de bază este de zeci și sute de ori mai mic decât curentul colectorului și curentul emițătorului.

Circuite de conectare a tranzistorului bipolar

În schema anterioară, circuitul electric format din sursă U EB, emițător și baza tranzistorului, se numește intrare, iar circuitul format din sursă U KB, colectorul și baza aceluiași tranzistor, este ieșirea. Baza este electrodul comun al tranzistorului pentru circuitele de intrare și de ieșire, de aceea includerea sa se numește circuit cu o bază comună sau, pe scurt „Schema OB”.

Figura următoare prezintă un circuit în care emițătorul este electrodul comun pentru circuitele de intrare și de ieșire. Acesta este un circuit emițător comun, sau "Diagrama OE".

În acesta, curentul de ieșire, ca și în circuitul OB, este curentul colectorului eu K, ușor diferit de curentul emițătorului eu e, iar intrarea este curentul de bază eu B, semnificativ mai mic decât curentul colectorului. Comunicarea între curenți eu BŞi eu Kîn schema OE este determinată de ecuația: eu K= h 21 E eu B + eu KEO
Factorul de proporționalitate h 21 E se numește coeficientul de transfer al curentului de bază static. Poate fi exprimat în termeni de coeficient de transfer static al curentului emițătorului h 21B
h 21 E = h 21B / (1 —h 21B )
Dacă h 21B este în intervalul 0,9...0,998, valorile corespunzătoare h 21 E va fi în intervalul 9...499.
Componentă eu keo se numește curent de colector invers în circuitul OE. Valoarea sa este 1+ h 21 E ori mai mult decât eu BWC, adică eu KEO =(1+ h 21 E ) eu KBO. eu Curenți inversați eu BWC și U EBŞi Directorii executivi nu depind de tensiunile de intrare iar ca urmare se numesc componente necontrolate ale curentului colectorului. Acești curenți depind puternic de temperatura ambiantă și determină proprietățile termice ale tranzistorului. S-a stabilit că valoarea curentului invers eu BER se dublează cu o creștere a temperaturii de 10 °C pentru germaniu și 8 °C pentru tranzistoarele cu siliciu. În circuitul OE, temperatura se modifică în curentul invers necontrolat eu KEO poate fi de zeci și sute de ori mai mare decât schimbările de temperatură ale curentului invers necontrolat eu BWC și perturbă complet funcționarea tranzistorului. Prin urmare, în circuitele de tranzistori, se folosesc măsuri speciale pentru stabilizarea termică a cascadelor de tranzistori, ajutând la reducerea influenței schimbărilor de temperatură ale curenților asupra funcționării tranzistorului.
În practică, există adesea circuite în care electrodul comun pentru circuitele de intrare și ieșire ale tranzistorului este colectorul. Acesta este un circuit de conectare cu un colector comun sau „Circuit OK” (adept emițător) .

Dacă luăm în considerare analogii mecanici, funcționarea tranzistoarelor seamănă cu principiul funcționării unei servodirecție hidraulice într-o mașină. Dar asemănarea este valabilă doar la o primă aproximare, deoarece tranzistoarele nu au supape. În acest articol vom lua în considerare separat funcționarea unui tranzistor bipolar.

Dispozitiv cu tranzistor bipolar

Baza dispozitivului tranzistor bipolar este un material semiconductor. Primele cristale semiconductoare pentru tranzistoare au fost fabricate din germaniu astăzi sunt mai des folosite siliciul și arseniura de galiu. În primul rând, este produs un material semiconductor pur cu o rețea cristalină bine ordonată. Apoi cristalului i se dă forma necesară și se introduce o impuritate specială în compoziția sa (materialul este dopat), ceea ce îi conferă anumite proprietăți de conductivitate electrică. Dacă conductivitatea se datorează mișcării electronilor în exces, aceasta este definită ca donor de tip n (electronic). Dacă conductivitatea unui semiconductor se datorează înlocuirii secvențiale a pozițiilor libere, așa-numitele găuri, cu electroni, atunci o astfel de conductivitate se numește acceptor (gaura) și este denumită conductivitate de tip p.

Figura 1.

Cristalul tranzistorului este format din trei părți (straturi) cu alternanță secvențială de tip conductivitate (n-p-n sau p-n-p). Tranzițiile de la un strat la altul formează potențiale bariere. Se numește tranziția de la bază la emițător emițător(EP), către colecționar – colector(KP). În figura 1, structura tranzistorului este prezentată ca simetrică, idealizată. În practică, în timpul producției, dimensiunile zonelor sunt semnificativ asimetrice, aproximativ așa cum se arată în Figura 2. Aria joncțiunii colectorului este semnificativ mai mare decât joncțiunea emițătorului. Stratul de bază este foarte subțire, de ordinul mai multor microni.

Figura 2.

Principiul de funcționare al unui tranzistor bipolar

Orice joncțiune p-n a unui tranzistor funcționează în mod similar. Când o diferență de potențial este aplicată polilor săi, aceasta este „deplasată”. Dacă diferența de potențial aplicată este pozitivă condiționat și joncțiunea pn se deschide, se spune că joncțiunea este polarizată direct. Când se aplică o diferență de potențial negativă condiționat, are loc o polarizare inversă a joncțiunii, la care este blocată. O caracteristică a funcționării tranzistorului este aceea că, cu o polarizare pozitivă a cel puțin o tranziție, zona generală, numită bază, este saturată cu electroni sau locuri libere de electroni (în funcție de tipul de conductivitate a materialului de bază), ceea ce provoacă o reducere semnificativă a barierei potențiale a celei de-a doua tranziții și, în consecință, a conductivității acesteia sub polarizare inversă.

Moduri de operare

Toate circuitele de conectare a tranzistorului pot fi împărțite în două tipuri: normalŞi invers.

Figura 3.

Circuit normal de comutare a tranzistorului presupune modificarea conductibilității electrice a joncțiunii colectorului prin controlul polarizării joncțiunii emițătorului.

Schema inversă, spre deosebire de normal, vă permite să controlați conductivitatea joncțiunii emițătorului controlând polarizarea joncțiunii colectorului. Circuitul invers este un analog simetric al celui normal, dar din cauza asimetriei structurale a tranzistorului bipolar, este ineficient pentru utilizare, are restricții mai stricte cu privire la parametrii maximi admisi și practic nu este utilizat.

Cu orice circuit de comutare, tranzistorul poate funcționa în trei moduri: Modul de întrerupere, modul activŞi modul de saturație.

Pentru a descrie munca, direcția curentului electric din acest articol este convențional considerată a fi direcția electronilor, adică. de la polul negativ al sursei de alimentare la polul pozitiv. Să folosim diagrama din figura 4 pentru aceasta.

Figura 4.

Modul de întrerupere

Pentru o joncțiune pn, există o tensiune de polarizare directă minimă la care electronii sunt capabili să depășească bariera de potențial a acestei joncțiuni. Adică, la o tensiune de polarizare directă până la această valoare de prag, niciun curent nu poate circula prin joncțiune. Pentru tranzistoarele cu siliciu, valoarea acestui prag este de aproximativ 0,6 V. Astfel, cu un circuit de comutare normal, atunci când polarizarea directă a joncțiunii emițătorului nu depășește 0,6 V (pentru tranzistoarele cu siliciu), nici un curent nu trece prin bază, este nu este saturat cu electroni și, ca rezultat, nu există nicio emisie de electroni de bază în regiunea colectorului, adică Nu există curent de colector (zero).

Astfel, pentru modul cutoff condițiile necesare sunt identitățile:

TU FI<0,6 В

I B =0

Modul activ

În modul activ, joncțiunea emițătorului este polarizată în direcția înainte până în momentul deblocării (curentul începe să curgă) cu o tensiune mai mare de 0,6 V (pentru tranzistoarele de siliciu), iar joncțiunea colectorului în direcția inversă. Dacă baza are conductivitate de tip p, electronii sunt transferați (injectați) de la emițător în bază, care sunt distribuiti instantaneu într-un strat subțire al bazei și aproape toți ajung la limita colectorului. Saturarea bazei cu electroni duce la o reducere semnificativă a dimensiunii joncțiunii colectorului, prin care electronii, sub influența unui potențial negativ de la emițător și bază, sunt forțați în zona colectorului, curgând prin terminalul colectorului, prin urmare provocând curentul de colector. Stratul foarte subțire al bazei limitează curentul maxim care trece printr-o secțiune transversală foarte mică în direcția ieșirii bazei. Dar această grosime mică a bazei provoacă saturația sa rapidă cu electroni. Zona de joncțiune este semnificativă, ceea ce creează condiții pentru fluxul de curent emițător-colector semnificativ, de zeci și sute de ori mai mare decât curentul de bază. Astfel, prin trecerea unor curenți nesemnificativi prin bază, putem crea condiții pentru trecerea curenților mult mai mari prin colector. Cu cât este mai mare curentul de bază, cu atât este mai mare saturația sa și cu atât este mai mare curentul colectorului. Acest mod vă permite să controlați (reglați) fără probleme conductivitatea joncțiunii colectorului prin modificarea (reglarea) în mod corespunzător a curentului de bază. Această proprietate a modului activ al tranzistorului este utilizată în diferite circuite amplificatoare.

În modul activ, curentul emițătorului tranzistorului este suma curentului de bază și al colectorului:

I E = eu K + eu B

Curentul colectorului poate fi exprimat astfel:

I K = α eu E

unde α este coeficientul de transfer al curentului emițătorului

Din egalitățile de mai sus putem obține următoarele:

unde β este factorul de amplificare a curentului de bază.

Modul de saturație

Limita de creștere a curentului de bază până în momentul în care curentul de colector rămâne neschimbat determină punctul de maximă saturație a bazei cu electroni. O creștere suplimentară a curentului de bază nu va modifica gradul de saturație a acestuia și nu va afecta în niciun fel curentul colectorului, poate duce la supraîncălzirea materialului în zona de contact de bază și la defecțiunea tranzistorului. Datele de referință pentru tranzistoare pot indica valorile curentului de saturație și curentul de bază maxim admisibil, sau tensiunea de saturație emițător-bază și tensiunea maximă admisă emițător-bază. Aceste limite determină modul de saturație al tranzistorului în condiții normale de funcționare.

Modul de tăiere și modul de saturație sunt eficiente atunci când tranzistoarele funcționează ca întrerupătoare electronice pentru comutarea circuitelor de semnal și de putere.

Diferența în principiul funcționării tranzistoarelor cu structuri diferite

Mai sus a fost considerat cazul de funcționare a unui tranzistor n-p-n. Tranzistorii structurilor pnp funcționează în mod similar, dar există diferențe fundamentale pe care ar trebui să le cunoașteți. Un material semiconductor cu conductivitate acceptor de tip p are un flux de electroni relativ scăzut, deoarece se bazează pe principiul tranziției electronilor de la un loc liber (gaură) la altul. Când toate locurile libere sunt înlocuite cu electroni, mișcarea lor este posibilă doar pe măsură ce apar locuri vacante în direcția mișcării. Cu o suprafață semnificativă de astfel de material, va avea o rezistență electrică semnificativă, ceea ce duce la probleme mai mari atunci când este utilizat ca cel mai masiv colector și emițător de tranzistori bipolari p-n-p decât atunci când este utilizat într-un strat de bază foarte subțire de tranzistori n-p-n. Un material semiconductor cu conductivitate donor de tip n are proprietățile electrice ale metalelor conductoare, făcându-l mai avantajos pentru utilizare ca emițător și colector, ca în tranzistoarele n-p-n.

Această trăsătură distinctivă a diferitelor structuri de tranzistor bipolar duce la mari dificultăți în producerea de perechi de componente cu structuri diferite și caracteristici electrice similare între ele. Dacă acordați atenție datelor de referință pentru caracteristicile perechilor de tranzistoare, veți observa că atunci când se obțin aceleași caracteristici pentru două tranzistoare de tipuri diferite, de exemplu KT315A și KT361A, în ciuda puterii lor identice de colector (150 mW) și aproximativ același câștig de curent (20-90) , au curenți maximi admisibili de colector, tensiuni emițător-bază, etc.

P.S. Această descriere a principiului de funcționare a tranzistorului a fost interpretată din poziția teoriei ruse, prin urmare nu există o descriere a acțiunii câmpurilor electrice asupra sarcinilor pozitive și negative fictive. Fizica rusă face posibilă folosirea unor modele mecanice mai simple, ușor de înțeles, care sunt mai aproape de realitate decât abstracțiile sub formă de câmpuri electrice și magnetice, sarcini pozitive și electrice, pe care școala tradițională le îndepărtează cu trădare. Din acest motiv, nu recomand să folosiți teoria enunțată fără analiză și înțelegere preliminară atunci când vă pregătiți pentru a susține teste, cursuri și alte tipuri de muncă simț și logică. În plus, din partea mea, aceasta este prima încercare de a descrie funcționarea unui dispozitiv semiconductor din poziția Fizicii Ruse, care poate fi rafinată și completată în viitor.

Dispozitiv și principiu de funcționare

Primele tranzistoare au fost fabricate din germaniu. În prezent, sunt fabricate în principal din siliciu și arseniură de galiu. Ultimii tranzistori sunt utilizați în circuitele amplificatoare de înaltă frecvență. Un tranzistor bipolar este format din trei regiuni semiconductoare dopate diferit: emițătorul E, baze Bși colecționar C. În funcție de tipul de conductivitate al acestor zone, se disting tranzistoarele NPN (emițător - n-semiconductor, bază - p-semiconductor, colector - n-semiconductor) și PNP. Contactele conductoare sunt conectate la fiecare dintre zone. Baza este situată între emițător și colector și este realizată dintr-un semiconductor ușor dopat cu rezistență ridicată. Suprafața totală de contact bază-emițător este semnificativ mai mică decât zona de contact colector-bază (acest lucru se face din două motive - suprafața mare a joncțiunii colector-bază crește probabilitatea ca purtătorii de sarcină minoritari să fie extrași în colector și deoarece în modul de funcționare joncțiunea colector-bază este de obicei pornită în polarizare inversă, ceea ce crește generarea de căldură și promovează îndepărtarea căldurii din colector), prin urmare, un tranzistor bipolar general este un dispozitiv asimetric (este imposibil să schimbați emițătorul și colectorul prin schimbând polaritatea conexiunii și rezultând un tranzistor bipolar absolut similar cu cel original).

În modul de funcționare activ, tranzistorul este pornit astfel încât joncțiunea emițătorului este polarizată în direcția înainte (deschisă), iar joncțiunea colectorului este polarizat în direcția opusă (închisă). Pentru certitudine, să luăm în considerare npn tranzistor, toate raționamentele se repetă în mod absolut similar pentru acest caz pnp tranzistor, înlocuind cuvântul „electroni” cu „găuri” și invers, precum și înlocuirea tuturor tensiunilor cu semne opuse. ÎN npnÎntr-un tranzistor, electronii, principalii purtători de curent din emițător, trec prin joncțiunea deschisă emițător-bază (injectată) în regiunea de bază. Unii dintre acești electroni se recombină cu cei mai mulți purtători de sarcină din bază (găuri). Cu toate acestea, deoarece baza este foarte subțire și relativ ușor dopată, majoritatea electronilor injectați din emițător difuzează în regiunea colectorului. Câmpul electric puternic al joncțiunii colectorului cu polarizare inversă captează electroni și îi transportă în colector. Curentul colectorului este astfel practic egal cu curentul emițătorului, cu excepția unei mici pierderi de recombinare în bază, care formează curentul de bază (I e = I b + I k). Coeficientul α care leagă curentul emițătorului și curentul colectorului (I k = α I e) se numește coeficient de transfer al curentului emițătorului. Valoarea numerică a coeficientului α este 0,9 - 0,999. Cu cât coeficientul este mai mare, cu atât tranzistorul transmite curentul mai eficient. Acest coeficient depinde puțin de tensiunile colector-bază și bază-emițător. Prin urmare, pe o gamă largă de tensiuni de funcționare, curentul colectorului este proporțional cu curentul de bază, coeficientul de proporționalitate este egal cu β = α / (1 − α) = (10..1000). Astfel, variind un curent de bază mic, poate fi controlat un curent de colector mult mai mare.

Moduri de funcționare ale unui tranzistor bipolar

Mod activ normal

Joncțiunea emițător-bază este conectată în direcția înainte (deschisă), iar joncțiunea colector-bază este în direcția inversă (închisă)
U EB >0;U KB<0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U ЭБ <0;U КБ >0);

Mod invers activ

Joncțiunea emițătorului are o conexiune inversă, iar joncțiunea colectorului are o conexiune directă.

Modul de saturație

Ambele joncțiuni pn sunt polarizate înainte (ambele deschise). Dacă joncțiunile emițătorului și colectorului p-n sunt conectate la surse externe în direcția înainte, tranzistorul va fi în modul de saturație. Câmpul electric de difuzie al joncțiunilor emițătorului și colectorului va fi parțial slăbit de câmpul electric creat de sursele externe Ueb și Ukb. Ca urmare, bariera de potențial care a limitat difuzia purtătorilor principali de sarcină va scădea și va începe pătrunderea (injecția) găurilor de la emițător și colector în bază, adică curenți numiți curenți de saturație ai emițătorului (IE. .sat) și colectorul (IC) vor curge prin emițătorul și colectorul tranzistorului us).

Modul de întrerupere

În acest mod, ambele joncțiuni p-n ale dispozitivului sunt polarizate în direcția opusă (ambele sunt închise). Modul de tăiere al tranzistorului se obține atunci când joncțiunile p-n emițător și colector sunt conectate la surse externe în sens opus. În acest caz, curenți inversați foarte mici ai emițătorului (IEBO) și colectorului (ICBO) curg prin ambele joncțiuni p-n. Curentul de bază este egal cu suma acestor curenți și, în funcție de tipul de tranzistor, variază de la unități de microamperi - µA (pentru tranzistoarele cu siliciu) la unități de miliamperi - mA (pentru tranzistoarele cu germaniu).

Modul barieră

În acest mod baza tranzistorul pentru curent continuu este conectat în scurtcircuit sau printr-un mic rezistor cu acesta colector, și în colector sau în emițător Circuitul tranzistorului este pornit de un rezistor care stabilește curentul prin tranzistor. În acest sens, tranzistorul este un fel de diodă conectată în serie cu un rezistor de setare a curentului. Astfel de circuite în cascadă se disting printr-un număr mic de componente, o izolație bună de înaltă frecvență, un interval mare de temperatură de funcționare și insensibilitate la parametrii tranzistorului.

Scheme de conectare

Orice circuit de conectare a tranzistorului este caracterizat de doi indicatori principali:

• Câștig curent I out / I in.
• Rezistența de intrare Rin =Uin /Iin

Schema de conectare cu o bază comună

Amplificator de bază comun.

• Dintre toate cele trei configurații, are cea mai mică impedanță de intrare și cea mai mare impedanță de ieșire. Are un câștig de curent apropiat de unitate și un câștig de înaltă tensiune. Faza semnalului nu este inversată.
• Câștig de curent: I out /I in =I to /I e =α [α<1]
• Rezistența de intrare R în =U în /I în =U fie /I e.

Rezistența de intrare pentru un circuit cu o bază comună este mică și nu depășește 100 ohmi pentru tranzistoarele de putere mică, deoarece circuitul de intrare al tranzistorului este o joncțiune emițător deschisă a tranzistorului.

Avantaje:

• Proprietăți bune de temperatură și frecvență.
• Tensiune ridicată admisă

Dezavantajele unei scheme de bază comune:

• Câștig de curent scăzut deoarece α< 1
• Impedanță de intrare scăzută
• Două surse de tensiune diferite pentru alimentare.

Circuit de conectare cu emițător comun

• Câștig de curent: I out /I in =I to /I b =I to /(I e -I to) = α/(1-α) = β [β>>1]
• Rezistenta de intrare: R in =U in /I in =U fi /I b

Avantaje:

• Câștig mare de curent
• Câștig de înaltă tensiune
• Cel mai mare câștig de putere
• Te poți descurca cu o singură sursă de alimentare
• Tensiunea AC de ieșire este inversată față de intrare.

Defecte:

• Proprietăți de temperatură și frecvență mai proaste în comparație cu un circuit de bază comun

Circuit colector comun

• Câștig de curent: I out /I in =I e /I b =I e /(I e -I k) = 1/(1-α) = β [β>>1]
• Rezistenta de intrare: R in = U in / I in = (U b e + U k e) / I b

Avantaje:

• Impedanță mare de intrare
• Impedanță scăzută de ieșire

Defecte:

• Câștigul de tensiune este mai mic de 1.

Un circuit cu această conexiune se numește „emitter follower”

Parametrii de bază

• Coeficientul de transfer curent
• Impedanța de intrare
• Conductivitate de ieșire
• Colector-emițător de curent invers
• La timp
• Frecvența limită a coeficientului de transfer al curentului de bază
• Curentul de colector invers
• Curent maxim admisibil
• Frecvența de tăiere a coeficientului de transfer de curent într-un circuit cu un emițător comun

Parametrii tranzistorului sunt împărțiți în intrinseci (primari) și secundari. Parametrii intrinseci caracterizează proprietățile tranzistorului, indiferent de circuitul său de conectare. Următorii sunt luați ca principali parametri proprii:

• câștig de curent α;
• rezistența emițătorului, colectorului și bazei la curentul alternativ r e, r k, r b, care sunt:
  • r e - suma rezistentelor regiunii emitatorului si jonctiunii emitatorului;
  • r k - suma rezistențelor zonei colectorului și joncțiunii colectorului;
  • r b - rezistența transversală a bazei.

Circuit echivalent al unui tranzistor bipolar folosind parametrii h

Parametrii secundari sunt diferiți pentru diferite circuite de comutare a tranzistorului și, datorită neliniarității sale, sunt validi numai pentru frecvențe joase și amplitudini mici ale semnalului. Pentru parametrii secundari, au fost propuse mai multe sisteme de parametri și circuitele lor echivalente corespunzătoare. Principalii sunt parametri mixți (hibrizi), notați cu litera „h”.

Impedanța de intrare- rezistența tranzistorului la curentul alternativ de intrare în timpul unui scurtcircuit la ieșire. Modificarea curentului de intrare este rezultatul unei modificări a tensiunii de intrare, fără influența feedback-ului de la tensiunea de ieșire.

H 11 = U m1 /I m1 la U m2 = 0.

Factor de feedback de tensiune arată ce proporție din tensiunea alternativă de ieșire este transferată la intrarea tranzistorului datorită feedback-ului din acesta. Nu există curent alternativ în circuitul de intrare al tranzistorului, iar o modificare a tensiunii de intrare are loc numai ca urmare a unei modificări a tensiunii de ieșire.

H 12 = U m1 /U m2 la I m1 = 0.

Coeficientul de transfer curent(câștig de curent) arată câștigul de curent alternativ la rezistența de sarcină zero. Curentul de ieșire depinde numai de curentul de intrare fără influența tensiunii de ieșire.

H 21 = I m2 /I m1 la U m2 = 0.

Conductivitate la ieșire- conductivitate internă pentru curent alternativ între bornele de ieșire. Curentul de ieșire se modifică sub influența tensiunii de ieșire.

H 22 = I m2 /U m2 la I m1 = 0.

Relația dintre curenții alternativi și tensiunile tranzistorului este exprimată prin ecuațiile:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ;
I m2 = h 21 I m1 + h 22 U m2.

În funcție de circuitul de conectare a tranzistorului, la indicii digitali ai parametrilor h se adaugă litere: „e” - pentru circuitul OE, „b” - pentru circuitul OB, „k” - pentru circuitul OK.

Pentru circuitul OE: I m1 = I mb, I m2 = I mk, U m1 = U mb-e, U m2 = U mk-e. De exemplu, pentru această schemă:

H 21e = I mк /I mb = β.

Pentru circuitul OB: I m1 = I mе, I m2 = I mк, U m1 = U mе-b, U m2 = U mк-b.

Parametrii proprii ai tranzistorului sunt legați de parametrii h, de exemplu pentru un circuit OE:

Odată cu creșterea frecvenței, capacitatea joncțiunii colectorului C k începe să aibă un efect dăunător asupra funcționării tranzistorului. Rezistența capacității scade, curentul prin rezistența de sarcină și, în consecință, factorii de câștig α și β. Rezistența capacității de joncțiune a emițătorului C e scade și ea, cu toate acestea, este derivată de o rezistență mică de joncțiune r e și în majoritatea cazurilor poate să nu fie luată în considerare. În plus, odată cu creșterea frecvenței, apare o scădere suplimentară a coeficientului β ca urmare a unei întârzieri a fazei curentului colector față de faza curentului emițătorului, care este cauzată de inerția procesului de mișcare a purtătorilor prin baza de la joncțiunea emițătorului la colector și inerția proceselor de acumulare și resorbție a sarcinii în bază. Se numesc frecvențele la care coeficienții α și β scad cu 3 dB frecvențele limită ale coeficientului de transfer de curent pentru schemele OB și, respectiv, OE.

În modul de impuls, impulsul de curent al colectorului începe cu o întârziere de un timp de întârziere τ з în raport cu impulsul de curent de intrare, care este cauzat de timpul finit de călătorie a purtătorilor prin bază. Pe măsură ce purtătorii se acumulează în bază, curentul colectorului crește în timpul de creștere τ f. La timp tranzistorul se numește τ pe = τ h + τ f.

Tehnologia de fabricare a tranzistorilor

• Epitaxial-planar
• Splavnaya
  • Difuzie
  • Aliaj de difuzie

Aplicarea tranzistoarelor

• Demodulator (detector)
• Invertor (element logic)
• Microcircuite bazate pe logica tranzistorului (vezi logica tranzistor-tranzistor, logica diodă-tranzistor, logica rezistor-tranzistor)

Vezi de asemenea

Literatură

Note

Tranzistoarele sunt împărțite în bipolare și cu efect de câmp. Fiecare dintre aceste tipuri are propriul său principiu de funcționare și design, cu toate acestea, ceea ce au în comun este prezența structurilor p-n semiconductoare.

Simbolurile tranzistorilor sunt date în tabel:

Tipul dispozitivului				Simbol grafic convențional (UGO)
Bipolar	Tip bipolar pnp
	Tip bipolar n-p-n
Domeniu	Cu managerul joncțiune p-n	Cu canal de tip p
		Cu canal de tip n
	Cu izolat obturator tranzistoare MOSFET	Cu încorporat canal	Canal încorporat tip p
			Canal încorporat de tip n
		Cu indus canal	Canal indus tip p
			Canal indus de tip n

Tranzistoare bipolare

Definiția „bipolar” indică faptul că funcționarea unui tranzistor este asociată cu procese la care iau parte purtători de sarcină de două tipuri - electroni și găuri.

Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor cu două joncțiuni electron-gaură, conceput pentru a amplifica și genera semnale electrice. Un tranzistor folosește ambele tipuri de purtători - majore și minore, motiv pentru care se numește bipolar.

Un tranzistor bipolar este format din trei regiuni ale unui semiconductor monocristalin cu diferite tipuri de conductivitate: emițător, bază și colector.

• E - emițător,
• B - baza,
• K - colector,
• EP - joncțiune emițător,
• KP - joncțiune de colector,
• W - grosimea bazei.

Fiecare dintre tranzițiile tranzistorului poate fi activată fie în direcția înainte, fie în sens invers. În funcție de aceasta, există trei moduri de funcționare ale tranzistorului:

1. Modul de întrerupere - ambele joncțiuni p-n sunt închise, în timp ce un curent relativ mic curge de obicei prin tranzistor
2. Modul de saturație - ambele joncțiuni p-n sunt deschise
3. Mod activ - una dintre joncțiunile p-n este deschisă, iar cealaltă este închisă

În modul cutoff și modul de saturație, tranzistorul nu poate fi controlat. Controlul eficient al tranzistorului se realizează numai în modul activ. Acest mod este cel principal. Dacă tensiunea la joncțiunea emițătorului este directă, iar la joncțiunea colectorului este inversă, atunci pornirea tranzistorului este considerată normală dacă polaritatea este inversă;

În modul normal, joncțiunea colector p-n este închisă, joncțiunea emițătorului este deschisă. Curentul colectorului este proporțional cu curentul de bază.

Mișcarea purtătorilor de sarcină într-un tranzistor n-p-n este prezentată în figură:

Când emițătorul este conectat la borna negativă a sursei de alimentare, apare un curent de emițător Ie. Deoarece o tensiune externă este aplicată joncțiunii emițătorului în direcția înainte, electronii traversează joncțiunea și intră în regiunea de bază. Baza este formată dintr-un semiconductor p, astfel încât electronii sunt purtători minoritari de sarcină pentru aceasta.

Electronii care intră în regiunea bazei se recombină parțial cu găurile din bază. Cu toate acestea, baza este de obicei realizată dintr-un conductor p foarte subțire cu o rezistivitate mare (conținut scăzut de impurități), astfel încât concentrația de găuri în bază este scăzută și doar câțiva electroni care intră în bază se recombină cu găurile sale, formând o bază. curentul Ib. Majoritatea electronilor, datorită mișcării termice (difuzie) și sub influența câmpului colector (deriva), ajung la colector, formând o componentă a curentului colector Ik.

Relația dintre creșterile curenților emițătorului și colectorului este caracterizată de coeficientul de transfer al curentului

După cum rezultă dintr-o examinare calitativă a proceselor care au loc într-un tranzistor bipolar, coeficientul de transfer de curent este întotdeauna mai mic decât unitatea. Pentru tranzistoarele bipolare moderne α = 0,9 ÷ 0,95

Când Ie ≠ 0, curentul colectorului tranzistorului este egal cu:

În circuitul de conectare considerat, electrodul de bază este comun circuitelor emițătorului și colectorului. Acest circuit pentru conectarea unui tranzistor bipolar se numește circuit cu o bază comună, în timp ce circuitul emițător este numit circuit de intrare, iar circuitul colector este numit circuit de ieșire. Cu toate acestea, un astfel de circuit pentru pornirea unui tranzistor bipolar este utilizat foarte rar.

Trei circuite pentru pornirea unui tranzistor bipolar

Există circuite de comutare cu o bază comună, un emițător comun și un colector comun. Circuitele pentru un tranzistor pnp sunt prezentate în figurile a, b, c:

Într-un circuit cu bază comună (Fig. a), electrodul de bază este comun circuitelor de intrare și ieșire, într-un circuit cu emițător comun (Fig. b), emițătorul este comun, într-un circuit cu colector comun (Fig. c), colectorul este comun.

În figura sunt prezentate: E1 – alimentarea circuitului de intrare, E2 – alimentarea circuitului de ieșire, Uin – sursa semnalului amplificat.

Circuitul de comutare principal este unul în care electrodul comun pentru circuitele de intrare și ieșire este emițătorul (circuit de comutare pentru un tranzistor bipolar cu un emițător comun). Pentru un astfel de circuit, circuitul de intrare trece prin joncțiunea bază-emițător și în el apare un curent de bază:

Valoarea scăzută a curentului de bază în circuitul de intrare a condus la utilizarea pe scară largă a unui circuit cu un emițător comun.

Tranzistor bipolar într-un circuit cu emițător comun (CE).

Într-un tranzistor conectat conform circuitului OE, relația dintre curent și tensiune în circuitul de intrare al tranzistorului Ib = f1 (Ube) se numește caracteristica de intrare sau de bază curent-tensiune (VC) a tranzistorului. Dependența curentului de colector de tensiunea dintre colector și emițător la valori fixe ale curentului de bază Iк = f2 (Uke), Ib – const se numește familia de caracteristici de ieșire (colector) ale tranzistorului.

Caracteristicile curent-tensiune de intrare și ieșire ale unui tranzistor bipolar de putere medie de tip n-p-n sunt prezentate în figură:

După cum se poate observa din figură, caracteristica de intrare este practic independentă de tensiunea Uke. Caracteristicile de ieșire sunt aproximativ echidistante unele de altele și aproape liniare pe o gamă largă de variații de tensiune Uke.

Dependența Ib = f(Ube) este o dependență exponențială caracteristică curentului unei joncțiuni p-n polarizate direct. Deoarece curentul de bază este recombinat, valoarea sa Ib este de β ori mai mică decât curentul de emițător injectat Ie. Pe măsură ce tensiunea colectorului Uк crește, caracteristica de intrare se deplasează în regiunea de tensiuni mai mari Ub. Acest lucru se datorează faptului că, datorită modulării lățimii bazei (efectul timpuriu), proporția curentului de recombinare în baza tranzistorului bipolar scade. Tensiunea Ube nu depășește 0,6...0,8 V. Depășirea acestei valori va duce la o creștere bruscă a curentului care circulă prin joncțiunea emițătorului deschis.

Dependența Ik = f(Uke) arată că curentul colectorului este direct proporțional cu curentul de bază: Ik = B Ib

Parametrii tranzistorului bipolar

Reprezentarea unui tranzistor într-un mod de funcționare cu semnal mic ca o rețea cu patru terminale

Într-un mod de funcționare cu semnal mic, tranzistorul poate fi reprezentat printr-o rețea cu patru terminale. Atunci când tensiunile u1, u2 și curenții i1, i2 se modifică conform unei legi sinusoidale, legătura dintre tensiuni și curenți se stabilește folosind parametrii Z, Y, h.

Potențialele 1", 2", 3 sunt aceleași. Este convenabil să descrii un tranzistor folosind parametrii h.

Starea electrică a unui tranzistor conectat conform unui circuit cu un emițător comun este caracterizată de patru mărimi: Ib, Ube, Ik și Uke. Două dintre aceste mărimi pot fi considerate independente, iar celelalte două pot fi exprimate în termenii lor. Din motive practice, este convenabil să alegeți cantitățile Ib și Uke ca fiind independente. Atunci Ube = f1 (Ib, Uke) și Ik = f2 (Ib, Uke).

În dispozitivele de amplificare, semnalele de intrare sunt incremente ale tensiunilor și curenților de intrare. În partea liniară a caracteristicilor, următoarele egalități sunt adevărate pentru incrementele Ube și Ik:

Semnificația fizică a parametrilor:

Pentru un circuit cu OE, coeficienții se scriu cu indicele E: h11e, h12e, h21e, h22e.

Datele pașaportului indică h21е = β, h21b = α. Acești parametri caracterizează calitatea tranzistorului. Pentru a crește valoarea lui h21, trebuie fie să reduceți lățimea bazei W, fie să măriți lungimea difuziei, ceea ce este destul de dificil.

Tranzistoare compozite

Pentru a crește valoarea lui h21, tranzistoarele bipolare sunt conectate folosind un circuit Darlington:

Într-un tranzistor compozit care are aceleași caracteristici ca unul, baza VT1 este conectată la emițătorul VT2 și ΔIе2 = ΔIb1. Colectoarele ambelor tranzistoare sunt conectate, iar acest terminal este terminalul tranzistorului compozit. Baza VT2 joacă rolul bazei tranzistorului compozit ΔIb = ΔIb2, iar emițătorul VT1 joacă rolul emițătorului tranzistorului compozit ΔIe = ΔI1.

Să obținem o expresie pentru câștigul de curent β pentru circuitul Darlington. Să exprimăm relația dintre modificarea curentului de bază dIb și modificarea rezultată a curentului de colector dIk al tranzistorului compozit, după cum urmează:

Deoarece pentru tranzistoarele bipolare câștigul de curent este de obicei de câteva zeci (β1, β2 >> 1), câștigul total al tranzistorului compozit va fi determinat de produsul câștigurilor fiecărui tranzistor βΣ = β1 · β2 și poate fi destul de mare în valoare.

Să remarcăm caracteristicile modului de funcționare al unor astfel de tranzistori. Deoarece curentul emițătorului VT2 Ie2 este curentul de bază VT1 dIb1, atunci, prin urmare, tranzistorul VT2 ar trebui să funcționeze în modul de microputere, iar tranzistorul VT1 - în modul de injecție mare, curenții emițătorului lor diferă cu 1-2 ordine de mărime. Cu o astfel de alegere suboptimă a caracteristicilor de funcționare ale tranzistoarelor bipolare VT1 și VT2, nu este posibil să se obțină valori mari de câștig de curent în fiecare dintre ele. Cu toate acestea, chiar și cu valorile câștigului β1, β2 ≈ 30, câștigul total βΣ va fi βΣ ≈ 1000.

Valorile mari de câștig în tranzistoarele compozite sunt realizate numai în modul statistic, astfel încât tranzistoarele compozite sunt utilizate pe scară largă în etapele de intrare ale amplificatoarelor operaționale. În circuitele la frecvențe înalte, tranzistoarele compozite nu mai au astfel de avantaje, dimpotrivă, atât frecvența de tăiere a amplificării curentului, cât și viteza de funcționare a tranzistoarelor compozite sunt mai mici decât aceiași parametri pentru fiecare dintre tranzistoarele VT1, VT2 separat.

Proprietățile de frecvență ale tranzistoarelor bipolare

Procesul de propagare a purtătorilor de sarcină minoritari injectați în bază de la emițător la joncțiunea colectorului decurge prin difuzie. Acest proces este destul de lent, iar purtătorii injectați din emițător vor ajunge la colector nu mai devreme decât în ​​timpul difuzării purtătorilor prin bază. O astfel de întârziere va duce la o schimbare de fază între curentul Ie și curentul Ik. La frecvențe joase, fazele curenților Ie, Ik și Ib coincid.

Frecvența semnalului de intrare la care modulul câștigului scade cu un factor de în comparație cu valoarea statică β0 se numește frecvența limită de amplificare a curentului a unui tranzistor bipolar într-un circuit cu emițător comun.

Fβ – frecvența limită (frecvența de tăiere)
fgr – frecvență de tăiere (frecvență de câștig unitar)

Tranzistoare cu efect de câmp

Tranzistoarele cu efect de câmp sau unipolare folosesc efectul de câmp ca principiu fizic principal. Spre deosebire de tranzistoarele bipolare, în care ambele tipuri de purtători, atât majore, cât și minore, sunt responsabile pentru efectul tranzistorului, tranzistoarele cu efect de câmp folosesc un singur tip de purtător pentru a realiza efectul tranzistorului. Din acest motiv, tranzistoarele cu efect de câmp se numesc unipolare. În funcție de condițiile de implementare a efectului de câmp, tranzistoarele cu efect de câmp se împart în două clase: tranzistoare cu efect de câmp cu o poartă izolată și tranzistoare cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control.

Tranzistoare cu efect de câmp cu joncțiune p-n de control

Schematic, un tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune pn de control poate fi reprezentat ca o placă, la capetele căreia sunt conectați electrozi, o sursă și un dren. În fig. prezintă structura și schema de conectare a unui tranzistor cu efect de câmp cu un canal de tip n:

Într-un tranzistor cu canale n, cei mai mulți purtători de sarcină din canal sunt electronii, care se deplasează de-a lungul canalului de la o sursă cu potențial scăzut la o scurgere cu potențial mai mare, producând un curent de drenaj Ic. Se aplică o tensiune între poartă și sursă, blocând joncțiunea p-n formată din regiunea n a canalului și regiunea p a porții.

Când se aplică o tensiune de blocare la joncțiunea p-n Uzi, la limitele canalului apare un strat uniform, epuizat de purtători de sarcină și având o rezistivitate ridicată. Acest lucru duce la o scădere a lățimii conductoare a canalului.

Prin modificarea valorii acestei tensiuni, este posibilă modificarea secțiunii transversale a canalului și, în consecință, modificarea valorii rezistenței electrice a canalului. Pentru un tranzistor cu efect de câmp cu canale n, potențialul de drenare este pozitiv în raport cu potențialul sursei. Când poarta este împământată, curentul trece de la scurgere la sursă. Prin urmare, pentru a opri curentul, la poartă trebuie aplicată o tensiune inversă de câțiva volți.

Valoarea tensiunii Uzi, la care curentul prin canal devine aproape egal cu zero, se numește tensiunea de întrerupere Uzap.

Astfel, un tranzistor cu efect de câmp cu o poartă sub forma unei joncțiuni p-n reprezintă o rezistență, a cărei valoare este reglată de o tensiune externă.

Tranzistorul cu efect de câmp este caracterizat de următoarea caracteristică curent-tensiune:

Aici, dependența curentului de scurgere Ic de tensiunea la o tensiune constantă la poarta Uzi determină caracteristicile de ieșire, sau de scurgere, ale tranzistorului cu efect de câmp. La sectiunea initiala a caracteristicilor Usi + |Uzi |< Uзап ток стока Iс возрастает с увеличением Uси . При повышении напряжения сток - исток до Uси = Uзап - |Uзи | происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения Uси и тока стока Iс . Участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. Дальнейшее увеличение напряжения Uси приводит к пробою р-n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя.

Caracteristica curent-tensiune Ic = f(Uzi) arată tensiunea Uzap. Deoarece Uzi ≤ 0 joncțiunea p-n este închisă și curentul de poartă este foarte mic, aproximativ 10 -8...10-9 A, prin urmare, principalele avantaje ale unui tranzistor cu efect de câmp, în comparație cu un tranzistor bipolar, includ o rezistență mare de intrare, aproximativ 10 10…1013 Ohm. În plus, ele se disting prin zgomot redus și capacitate de fabricație.

Există două scheme principale de comutare care au aplicație practică. Un circuit cu o sursă comună (Fig. a) și un circuit cu o scurgere comună (Fig. b), care sunt prezentate în figură:

Tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată
(tranzistoare MOS)

Termenul "tranzistor MOS" este folosit pentru a se referi la tranzistori cu efect de câmp în care electrodul de control - poarta - este separat de regiunea activă a tranzistorului cu efect de câmp printr-un strat dielectric - un izolator. Elementul de bază pentru aceste tranzistoare este structura metal-izolator-semiconductor (M-D-S).

Tehnologia unui tranzistor MOS cu o poartă încorporată este prezentată în figură:

Semiconductorul original pe care este realizat tranzistorul MOS se numește substrat (pin P). Cele două regiuni n+ puternic dopate sunt numite sursă (I) și drenaj (C). Zona substratului de sub poartă (3) se numește canal încorporat (n-canal).

Baza fizică pentru funcționarea unui tranzistor cu efect de câmp cu o structură metal-izolator-semiconductor este efectul de câmp. Efectul de câmp este că sub influența unui câmp electric extern se modifică concentrația purtătorilor de sarcină liberi în regiunea apropiată de suprafață a semiconductorului. În dispozitivele de câmp cu o structură MIS, câmpul extern este cauzat de tensiunea aplicată electrodului de poartă metalică. În funcție de semnul și mărimea tensiunii aplicate, pot exista două stări ale regiunii de încărcare spațială (SCR) în canal - îmbogățire, epuizare.

Modul de epuizare corespunde unei tensiuni negative Uzi, la care concentrația de electroni în canal scade, ceea ce duce la o scădere a curentului de scurgere. Modul de îmbogățire corespunde unei tensiuni pozitive Uzi și unei creșteri a curentului de scurgere.

Caracteristica curent-tensiune este prezentată în figură:

Topologia unui tranzistor MOS cu un canal de tip p indus (indus) este prezentată în figură:

Când Uzi = 0 nu există canal și Ic = 0. Tranzistorul poate funcționa numai în modul de îmbogățire Uzi< 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое Uзи.пор , то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе Uзи в области выше порогового Uзи.пор , можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи Uси вызовет ток стока Iс .

Caracteristica curent-tensiune este prezentată în figură:

În tranzistoarele MOS, poarta este separată de semiconductor printr-un strat de oxid de SiO2. Prin urmare, rezistența de intrare a unor astfel de tranzistoare este de aproximativ 1013 ... 1015 ohmi.

Principalii parametri ai tranzistoarelor cu efect de câmp includ:

• Panta caracteristicii la Usp = const, Upi = const. Valorile tipice ale parametrilor sunt (0,1...500) mA/V;
• Panta caracteristicii de-a lungul substratului la Usp = const, Uzi = const. Valori tipice ale parametrilor (0,1...1) mA/V;
• Curent de scurgere inițial Is.init.
• – curent de scurgere la valoarea tensiunii zero Uzi. Valori tipice ale parametrilor: (0,2...600) mA – pentru tranzistoare cu joncțiune p-n canal de control; (0,1...100) mA – pentru tranzistoare cu canal încorporat; (0,01...0,5) µA – pentru tranzistoare cu canal indus;
• Rezistență dren-sursă în stare deschisă. Valori tipice (2..300) Ohm
• Rezistenta diferentiala (interna): la Uzi = const;
• Câștig statistic: μ = S ri

tiristoare

Un tiristor este un dispozitiv semiconductor cu trei sau mai multe joncțiuni p-n electron-gaură. Sunt folosite în principal ca chei electronice. În funcție de numărul de terminale externe, acestea sunt împărțite în tiristoare cu două terminale externe - dinistoare și tiristoare cu trei terminale - tiristoare. Simbolul literei VS este folosit pentru a desemna tiristoare.

Proiectarea și principiul de funcționare al dinistorului

Structura, UGO și caracteristicile curent-tensiune ale dinistorului sunt prezentate în figură:



Regiunea p exterioară se numește anod (A), regiunea n exterioară se numește catod (K). Trei joncțiuni p-n sunt desemnate prin numerele 1, 2, 3. Structura dinistorului este cu 4 straturi - p-n-p-n.

Tensiunea de alimentare E este furnizată dinistorului în așa fel încât 1 din cele 3 joncțiuni să fie deschisă și rezistența lor să fie nesemnificativă, iar tranziția 2 să fie închisă și să i se aplice toată tensiunea de alimentare Upr. Un mic curent invers curge prin dinistor, sarcina R este deconectată de la sursa de alimentare E.

Când se atinge o tensiune critică egală cu tensiunea de pornire Uon, tranziția 2 se deschide, în timp ce toate cele trei tranziții 1, 2, 3 vor fi în starea deschisă (pornit). Rezistența dinistorului scade la zecimi de ohm.

Tensiunea de pornire este de câteva sute de volți. Dinistorul se deschide și prin el curg curenți semnificativi. Căderea de tensiune pe dinistor în stare deschisă este de 1-2 volți și depinde puțin de mărimea curentului care curge, a cărui valoare este τa ≈ E / R și UR ≈ E, adică. sarcina este conectată la sursa de alimentare E. Tensiunea pe dinistor, corespunzătoare punctului maxim admisibil Iopen.max, se numește tensiunea de stare deschisă Uokr. Curentul maxim admisibil variază de la sute de mA la sute de A. Dinistorul este în stare deschisă până când curentul care trece prin el devine mai mic decât curentul de menținere Iud. Dinistorul se închide când tensiunea externă scade la o valoare de ordinul a 1V sau când se modifică polaritatea sursei externe. Prin urmare, un astfel de dispozitiv este utilizat în circuitele de curent tranzitoriu. Punctele B și D corespund valorilor limită ale curenților și tensiunilor dinistorului. Timpul de recuperare a rezistenței de tranziție 2 după îndepărtarea tensiunii de alimentare este de aproximativ 10-30 μs.

Prin principiul lor, dinistorii sunt dispozitive cheie de acțiune. În starea de pornire (secțiunea BV) este similar cu o cheie închisă, iar în starea oprită (secțiunea EG) este ca o cheie deschisă.

Proiectarea și principiul de funcționare a unui tiristor (tiristor)

Tiristorul este un dispozitiv controlat. Conține un electrod de control (CE) conectat la un semiconductor de tip p sau un semiconductor de tip n al joncțiunii din mijloc 2.

Structura, UGO și caracteristicile curent-tensiune ale unui trinistor (numit de obicei tiristor) sunt prezentate în figură:



Tensiunea Uoff, la care începe o creștere asemănătoare unei avalanșe a curentului, poate fi redusă prin introducerea purtătorilor de sarcină minoritari în oricare dintre straturile adiacente joncțiunii 2. Măsura în care scade Uon este indicată pe caracteristica curent-tensiune. Un parametru important este curentul de control al deblocării Iу.оt, care asigură că tiristorul trece în starea deschisă la tensiuni mai mici decât tensiunea Uon. Figura arată trei valori ale tensiunii de comutare UI pornit< Un вкл < Um вкл соответствует трем значениям управляющего тока UI у.от >Un u.ot > Um u.ot .

Să considerăm cel mai simplu circuit cu un tiristor încărcat pe o sarcină de rezistență Rn






• Ia – curent anodic (curent de putere în circuitul anod-catod al tiristorului);
• Uak – tensiunea dintre anod și catod;
• Iу – curentul electrodului de control (în circuitele reale se folosesc impulsuri de curent);
• Uuk este tensiunea dintre electrodul de control și catod;
• Upit – tensiune de alimentare.

Pentru a transfera tiristorul în starea deschisă, electrodul necontrolat este alimentat din circuitul de generare a impulsurilor cu un impuls de control pe termen scurt (de ordinul a câteva microsecunde).

O trăsătură caracteristică a tiristorului neblocabil în cauză, care este foarte utilizat în practică, este că nu poate fi oprit folosind curentul de control.

Pentru a opri tiristorul în practică, i se aplică tensiune inversă Uac< 0 и поддерживают это напряжение в течении времени, большего так называемого времени выключения tвыкл . Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд.

Proiectarea și principiul de funcționare a unui triac

Așa-numitele tiristoare simetrice (triacs, triacs) sunt utilizate pe scară largă. Fiecare triac este similar cu o pereche de tiristoare considerate, conectate spate la spate. Tiristoarele simetrice sunt un dispozitiv controlat cu o caracteristică simetrică curent-tensiune. Pentru a obține o caracteristică simetrică, se folosesc structuri semiconductoare p-n-p-n-p cu două fețe.

Structura triacului, UGO și caracteristicile curent-tensiune sunt prezentate în figură:



Un triac (triac) conține două tiristoare p1-n1-p2-n2 și p2-n2-p1-n4 conectate spate la spate. Triacul conține 5 tranziții P1-P2-P3-P4-P5. În absența unui electron de control, triacul UE se numește diac.

Cu polaritate pozitivă pe electrodul E1, apare un efect tiristor în p1-n1-p2-n2, iar cu polaritate opusă în p2-n1-p1-n4.

Când o tensiune de control este aplicată la UE, în funcție de polaritatea și magnitudinea acestuia, tensiunea de comutare Uon se modifică

Tiristoarele (dinistorii, tiristoarele, triacurile) sunt elementele principale ale dispozitivelor electronice de putere. Există tiristoare pentru care tensiunea de comutare este mai mare de 1 kV, iar curentul maxim admis este mai mare de 1 kA

Chei electronice

Pentru a crește eficiența dispozitivelor electronice de putere, modul de funcționare în impulsuri al diodelor, tranzistoarelor și tiristoarelor este utilizat pe scară largă. Modul puls este caracterizat de schimbări bruște ale curenților și tensiunilor. În modul de impuls, diodele, tranzistoarele și tiristoarele sunt folosite ca comutatoare.

Cu ajutorul cheilor electronice se comută circuitele electronice: conectarea/deconectarea unui circuit la/de la surse(e) de energie electrică sau de semnal, conectarea sau deconectarea elementelor de circuit, modificarea parametrilor elementelor de circuit, schimbarea tipului sursei de semnal de influență.

Cheile ideale UGO sunt prezentate în figură:

Chei care acționează pentru a deschide și respectiv a închide.




Modul cheie este caracterizat de două stări: „pornit”/“oprit”.

Tastele ideale se caracterizează printr-o modificare instantanee a rezistenței, care poate lua valoarea 0 sau ∞. Căderea de tensiune pe un întrerupător ideal închis este 0. Când comutatorul este deschis, curentul este 0.

Cheile reale sunt, de asemenea, caracterizate de două valori extreme de rezistență Rmax și Rmin. Trecerea de la o valoare a rezistenței la alta în comutatoarele reale are loc într-un timp finit. Căderea de tensiune pe un comutator închis real nu este zero.

Comutatoarele sunt împărțite în chei utilizate în circuitele de putere redusă și chei utilizate în circuitele de mare putere. Fiecare dintre aceste clase are propriile sale caracteristici.

Cheile utilizate în circuitele de putere redusă sunt caracterizate prin:

1. Rezistențe cheie în stări deschise și închise;
2. Performanță – timpul necesar unei chei pentru a trece de la o stare la alta;
3. Căderea de tensiune la un întrerupător închis și curent de scurgere la un întrerupător deschis;
4. Imunitate la zgomot – capacitatea unei chei de a rămâne într-una dintre stări atunci când este expusă la interferențe;
5. Sensibilitatea cheii este mărimea semnalului de control care transferă cheia dintr-o stare în alta;
6. Tensiune de prag - valoarea tensiunii de control, în apropierea căreia are loc o schimbare bruscă a rezistenței cheii electronice.

Chei electronice cu diode

Cel mai simplu tip de chei electronice sunt comutatoarele cu diode. Circuitul comutatorului diodei, caracteristica de transfer static, caracteristica curent-tensiune și dependența rezistenței diferențiale de tensiunea diodei sunt prezentate în figură:

Principiul de funcționare al unui comutator electronic cu diodă se bazează pe modificarea valorii rezistenței diferențiale a unei diode semiconductoare în vecinătatea valorii tensiunii de prag pe dioda Uthr. Figura „c” arată caracteristica curent-tensiune a unei diode semiconductoare, care arată valoarea Uthr. Această valoare este situată la intersecția axei tensiunii cu tangenta trasă la elementul ascendent al caracteristicii curent-tensiune.

Figura „d” arată dependența rezistenței diferențiale de tensiunea pe diodă. Din figură rezultă că în apropierea tensiunii de prag de 0,3 V are loc o schimbare bruscă a rezistenței diferențiale a diodei cu valori extreme de 900 și 35 ohmi (Rmin = 35 ohmi, Rmax = 900 ohmi).

În starea „pornit”, dioda este deschisă și Uout ≈ Uin.

În starea „oprit”, dioda este închisă și , Uout ≈ Uin · Rн / Rmax<

Pentru a reduce timpul de comutare, se folosesc diode cu o capacitate de tranziție scăzută de ordinul 0,5-2 pF, oferind în același timp un timp de oprire de ordinul 0,5-0,05 μs.

Comutatoarele cu diode nu permit separarea electrică a circuitelor de control și controlate, ceea ce este adesea necesar în circuitele practice.

Comutatoare cu tranzistori

Majoritatea circuitelor utilizate în calculatoare, dispozitive de control de la distanță, sisteme de control automate etc. se bazează pe comutatoare cu tranzistori.

Circuitele comutatoare de pe tranzistorul bipolar și caracteristicile curent-tensiune sunt prezentate în figură:

Prima stare „oprit” (tranzistorul închis) este determinată de punctul A1 pe caracteristicile de ieșire ale tranzistorului; se numește modul cutoff. În modul de tăiere, curentul de bază Ib = 0, curentul colectorului Ik1 este egal cu curentul inițial al colectorului, iar tensiunea colectorului Uk = Uk1 ≈ Ek. Modul de tăiere este implementat la Uin = 0 sau la potențiale de bază negative. În această stare, rezistența comutatorului atinge valoarea maximă: Rmax = , unde RT este rezistența tranzistorului în stare închisă, mai mare de 1 MOhm.

A doua stare „pornit” (tranzistorul este deschis) este determinată de punctul A2 pe caracteristica curent-tensiune și se numește modul de saturație. De la modul de tăiere (A1) la modul de saturație (A2), tranzistorul este comutat de o tensiune de intrare pozitivă Uin. În acest caz, tensiunea Uout ia o valoare minimă Uk2 = Uk.e.us de ordinul 0,2-1,0 V, curentul de colector Ik2 = Ik.us ≈ Ek / Rk. Curentul de bază în modul de saturație este determinat din condiția: Ib > Ib.us = Ik.us / h21.

Tensiunea de intrare necesară pentru a comuta tranzistorul în starea deschisă este determinată din condiția: U în > Ib.us · Rb + Uk.e.us

Imunitate bună la zgomot și disiparea scăzută a puterii în tranzistor se explică prin faptul că de cele mai multe ori tranzistorul este fie saturat (A2), fie închis (A1), iar timpul de tranziție de la o stare la alta este o mică parte a duratei. din aceste state. Timpul de comutare al comutatoarelor de pe tranzistoarele bipolare este determinat de capacitățile de barieră ale joncțiunilor p-n și de procesele de acumulare și resorbție a purtătorilor de sarcină minoritari din bază.

Pentru a crește viteza și rezistența de intrare, se folosesc comutatoare cu tranzistori cu efect de câmp.

Circuitele de comutare pe tranzistoare cu efect de câmp cu o joncțiune pn de control și cu un canal indus cu o sursă comună și drenaj comun sunt prezentate în figură:

Pentru orice comutator pe un tranzistor cu efect de câmp Rn > 10-100 kOhm.

Semnalul de control Uin la poartă este de aproximativ 10-15 V. Rezistența tranzistorului cu efect de câmp în stare închisă este mare, aproximativ 108 -109 Ohmi.

Rezistența tranzistorului cu efect de câmp în stare deschisă poate fi de 7-30 ohmi. Rezistența tranzistorului cu efect de câmp de-a lungul circuitului de control poate fi de 108 -109 ohmi. (circuite „a” și „b”) și 1012 -1014 ohmi (circuite „c” și „d”).

Dispozitive semiconductoare de putere (putere).

Dispozitivele semiconductoare de putere sunt utilizate în electronica energetică, cel mai rapid și promițător domeniu de tehnologie. Sunt proiectate pentru a controla curenți de zeci și sute de amperi, tensiuni de zeci și sute de volți.

Dispozitivele semiconductoare de putere includ tiristoare (dinistoare, tiristoare, triac), tranzistoare (bipolare și cu efect de câmp) și tranzistoare bipolare induse static (IGBT). Sunt folosite ca chei electronice care comută circuitele electronice. Ei încearcă să-și apropie caracteristicile de caracteristicile tastelor ideale.

Conform principiului de funcționare, caracteristicilor și parametrilor, tranzistoarele de mare putere sunt similare cu tranzistoarele de putere redusă, dar există anumite caracteristici.

Tranzistoare cu efect de câmp de putere

În prezent, tranzistorul cu efect de câmp este unul dintre cele mai promițătoare dispozitive de putere. Tranzistoarele cele mai utilizate pe scară largă sunt tranzistoarele cu poartă izolată și tranzistoarele cu canal indus. Pentru a reduce rezistența canalului, lungimea acestuia este redusă. Pentru a crește curentul de scurgere, în tranzistor sunt realizate sute și mii de canale, iar canalele sunt conectate în paralel. Probabilitatea de auto-încălzire a tranzistorului cu efect de câmp este mică, deoarece Rezistența canalului crește odată cu creșterea temperaturii.

Tranzistoarele cu efect de câmp de putere au o structură verticală. Canalele pot fi amplasate atât pe verticală, cât și pe orizontală.

tranzistor DMOS

Acest tranzistor MOS, fabricat prin metoda dublei difuzii, are un canal orizontal. Figura prezintă un element de structură care conține un canal.

tranzistor VMOS

Acest tranzistor MOS în formă de V are un canal vertical. Figura prezintă un element de structură care conține două canale.

Este ușor de observat că structurile unui tranzistor VMOS și ale unui tranzistor DMIS sunt similare.

tranzistor IGBT

IGBT este un dispozitiv semiconductor hibrid. Combină două metode de control al curentului electric, dintre care una este tipică pentru tranzistoarele cu efect de câmp (controlul câmpului electric) și a doua pentru cele bipolare (controlul injecției purtătorilor electrici).

De obicei, IGBT-urile folosesc o structură de tranzistor MOS cu canal indus de tip n. Structura acestui tranzistor diferă de structura unui tranzistor DMIS printr-un strat suplimentar de semiconductor de tip p.

Vă rugăm să rețineți că termenii „emițător”, „colector” și „poartă” sunt utilizați în mod obișnuit pentru a se referi la electrozii IGBT.

Adăugarea unui strat de tip p are ca rezultat formarea unei a doua structuri de tranzistor bipolar (tipul pnp). Astfel, IGBT are două structuri bipolare - de tip n-p-n și de tip p-n-p.

Circuitul de oprire UGO și IGBT sunt prezentate în figură:

Un tip tipic de caracteristici de ieșire este prezentat în figură:

tranzistor SIT

SIT este un tranzistor cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control cu ​​inducție statică. Este multicanal și are o structură verticală. Reprezentarea schematică a SIT și a circuitului sursă comună sunt prezentate în figură:

Regiunile unui semiconductor de tip p au forma unor cilindri, al căror diametru este de câțiva micrometri sau mai mult. Acest sistem de cilindri acționează ca un obturator. Fiecare cilindru este conectat la un electrod de poartă (în figura „a”, electrodul de poartă nu este prezentat).

Linia punctată indică zonele joncțiunilor p-n. Numărul real de canale poate fi de mii. De obicei SIT este utilizat în circuitele surse comune.

Fiecare dintre dispozitivele luate în considerare are propriul său domeniu de aplicare. Comutatoarele tiristoare sunt utilizate în dispozitivele care funcționează la frecvențe joase (kiloherți și mai jos). Principalul dezavantaj al unor astfel de taste este performanța lor scăzută.

Domeniul principal de aplicare a tiristoarelor sunt dispozitivele de joasă frecvență cu putere de comutare mare de până la câțiva megawați, care nu impun cerințe serioase de performanță.

Tranzistoarele bipolare puternice sunt utilizate ca întrerupătoare de înaltă tensiune în dispozitive cu o frecvență de comutare sau de conversie în intervalul 10-100 kHz, cu un nivel de putere de ieșire de la câțiva W la câțiva kW. Gama optimă de tensiuni de comutare este 200-2000 V.

Tranzistoarele cu efect de câmp (MOSFET) sunt folosite ca comutatoare electronice pentru comutarea dispozitivelor de joasă tensiune și de înaltă frecvență. Valorile optime ale tensiunilor de comutare nu depășesc 200 V (valoarea maximă până la 1000 V), în timp ce frecvența de comutare poate varia de la câțiva kHz la 105 kHz. Gama de curenți comutați este de 1,5-100 A. Proprietățile pozitive ale acestui dispozitiv sunt controlabilitatea mai degrabă prin tensiune decât prin curent și o dependență mai mică de temperatură în comparație cu alte dispozitive.

Tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (IGBT) sunt utilizate la frecvențe sub 20 kHz (unele tipuri de dispozitive sunt utilizate la frecvențe de peste 100 kHz) cu puteri de comutare de peste 1 kW. Tensiunile comutate nu sunt mai mici de 300-400 V. Valorile optime ale tensiunilor comutate sunt peste 2000 V. IGBT și MOSFET necesită o tensiune de cel mult 12-15 V pentru pornirea completă, nu este necesară pentru a închide; dispozitive. Se caracterizează prin viteze mari de comutare.

În acest articol vom vorbi despre tranzistor. Vom arăta diagramele pentru conectarea acesteia și calculul unei cascade de tranzistori cu un emițător comun.

TRANZISTOR este un dispozitiv semiconductor pentru amplificarea, generarea și convertirea vibrațiilor electrice, realizat pe baza unui semiconductor monocristal ( Si– siliciu, sau Ge- germaniu), care conțin cel puțin trei zone cu electronice diferite ( n) și gaura ( p) - conductivitate. Inventat în 1948 de americanii W. Shockley, W. Brattain și J. Bardeen. Pe baza structurii lor fizice și a mecanismului de control al curentului, tranzistoarele sunt împărțite în bipolare (denumite mai des simplu tranzistori) și unipolare (denumite mai des tranzistori cu efect de câmp). În primul, care conține două sau mai multe tranziții electron-gaură, atât electronii, cât și găurile servesc ca purtători de sarcină în al doilea, fie electroni, fie găuri. Termenul „tranzistor” este adesea folosit pentru a se referi la receptoare portabile de transmisie bazate pe dispozitive semiconductoare.

Curentul din circuitul de ieșire este controlat prin modificarea tensiunii sau curentului de intrare. O mică modificare a cantităților de intrare poate duce la o schimbare semnificativ mai mare a tensiunii și curentului de ieșire. Această proprietate de amplificare a tranzistorilor este utilizată în tehnologia analogică (TV analogic, radio, comunicații etc.).

Tranzistor bipolar

Un tranzistor bipolar poate fi n-p-nŞi p-n-p conductivitate. Fără a căuta în interiorul tranzistorului, se poate observa diferența de conductivitate numai în polaritatea conexiunii în circuitele practice ale surselor de alimentare, condensatoarelor și diodelor care fac parte din aceste circuite. Figura din dreapta arată grafic n-p-nŞi p-n-p tranzistoare.

Tranzistorul are trei terminale. Dacă considerăm un tranzistor ca o rețea cu patru terminale, atunci ar trebui să aibă două terminale de intrare și două de ieșire. Prin urmare, unul dintre pini trebuie să fie comun atât pentru circuitele de intrare, cât și pentru cele de ieșire.

Circuite de conectare a tranzistoarelor

Circuit de conectare pentru un tranzistor cu un emițător comun– conceput pentru a amplifica amplitudinea semnalului de intrare în tensiune și curent. În acest caz, semnalul de intrare, amplificat de tranzistor, este inversat. Cu alte cuvinte, faza semnalului de ieșire este rotită cu 180 de grade. Acest circuit este principalul pentru amplificarea semnalelor de diferite amplitudini și forme. Rezistența de intrare a unei cascade de tranzistori cu OE variază de la sute de ohmi la câțiva kilo-ohmi, iar rezistența de ieșire - de la câțiva la zeci de kilo-ohmi.

Schema de conectare pentru un tranzistor cu un colector comun– conceput pentru a amplifica amplitudinea semnalului curent de intrare. Nu există un câștig de tensiune într-un astfel de circuit. Ar fi mai corect să spunem că câștigul de tensiune este chiar mai mic decât unitatea. Semnalul de intrare nu este inversat de tranzistor.
Rezistența de intrare a unei cascade de tranzistori cu OK variază de la zeci la sute de kilo-ohmi, iar rezistența de ieșire este în intervalul de sute de ohmi - unități de kilo-ohmi. Datorită faptului că există de obicei o rezistență de sarcină în circuitul emițătorului, circuitul are o rezistență mare de intrare. În plus, datorită amplificării curentului de intrare, are o capacitate mare de sarcină. Aceste proprietăți ale unui circuit de colector comun sunt folosite pentru a potrivi treptele tranzistorului - ca „etapă tampon”. Deoarece semnalul de intrare, fără a crește în amplitudine, este „repetat” la ieșire, circuitul de pornire a unui tranzistor cu un colector comun este numit și Adept emițător.

Există de asemenea Circuit de conectare pentru un tranzistor cu o bază comună. Această schemă de includere există în teorie, dar în practică este foarte dificil de implementat. Acest circuit de comutare este utilizat în tehnologia de înaltă frecvență. Particularitatea sa este că are o impedanță de intrare scăzută și este dificil să se potrivească o astfel de cascadă cu intrarea. Am destulă experiență în electronică, dar vorbind despre acest circuit tranzistor, îmi pare rău, nu știu nimic! L-am folosit de câteva ori ca circuit „al altcuiva”, dar nu mi-am dat seama niciodată. Permiteți-mi să explic: conform tuturor legilor fizice, un tranzistor este controlat de baza sa, sau mai degrabă de curentul care curge de-a lungul căii bază-emițător. Utilizarea terminalului de intrare a tranzistorului - baza la ieșire - nu este posibilă. De fapt, baza tranzistorului este „conectată” la corp la frecvență înaltă printr-un condensator, dar nu este folosită la ieșire. Și galvanic, printr-un rezistor de înaltă rezistență, baza este conectată la ieșirea cascadei (se aplică polarizarea). Dar, în esență, puteți aplica offset-ul de oriunde, chiar și dintr-o sursă suplimentară. Cu toate acestea, un semnal de orice formă care intră în bază este stins prin același condensator. Pentru ca o astfel de cascadă să funcționeze, terminalul de intrare - emițătorul printr-un rezistor de rezistență scăzută este „plantat” pe carcasă, de unde și rezistența de intrare scăzută. În general, circuitul de conectare pentru un tranzistor cu o bază comună este un subiect pentru teoreticieni și experimentatori. În practică este extrem de rar. În practica mea în proiectarea circuitelor, nu am întâmpinat niciodată necesitatea de a folosi un circuit tranzistor cu o bază comună. Acest lucru se explică prin proprietățile acestui circuit de conectare: rezistența de intrare este de la unități la zeci de ohmi, iar rezistența de ieșire este de la sute de kilo-ohmi la câțiva mega-ohmi. Astfel de parametri specifici sunt o nevoie rară.

Un tranzistor bipolar poate funcționa în moduri de comutare și liniar (amplificare). Modul cheie este utilizat în diferite circuite de control, circuite logice etc. În modul cheie, tranzistorul poate fi în două stări de funcționare - stare deschisă (saturată) și închisă (blocat). Modul liniar (amplificare) este utilizat în circuitele pentru amplificarea semnalelor armonice și necesită menținerea tranzistorului într-o stare „jumătate” deschisă, dar nu saturată.

Pentru a studia funcționarea unui tranzistor, vom considera circuitul de conectare al unui tranzistor cu emițător comun ca fiind cel mai important circuit de conectare.

Diagrama este prezentată în figură. Pe diagramă VT- tranzistorul în sine. Rezistoare R b1Şi R b2– un circuit de polarizare a tranzistorului, care este un divizor obișnuit de tensiune. Acest circuit asigură că tranzistorul este polarizat la „punctul de funcționare” în modul de amplificare a semnalului armonic fără distorsiuni. Rezistor R la– rezistența de sarcină a cascadei de tranzistori, concepută pentru a furniza curent electric de la sursa de alimentare la colectorul de tranzistori și a-l limita în modul tranzistor „deschis”. Rezistor R e– un rezistor de feedback crește în mod inerent rezistența de intrare a cascadei, reducând în același timp câștigul semnalului de intrare. Condensatorii C îndeplinesc funcția de izolare galvanică de influența circuitelor externe.

Pentru a vă înțelege mai clar cum funcționează un tranzistor bipolar, vom face o analogie cu un divizor de tensiune convențional (vezi figura de mai jos). Pentru început, un rezistor R 2 Să facem divizorul de tensiune controlabil (variabil). Schimbând rezistența acestui rezistor, de la zero la o valoare „infinit” mare, putem obține o tensiune la ieșirea unui astfel de divizor de la zero la valoarea furnizată la intrarea acestuia. Acum să ne imaginăm că rezistența R 1 Divizorul de tensiune este rezistorul colector al etapei tranzistorului și rezistorul R 2 Divizorul de tensiune este joncțiunea colector-emițător a tranzistorului. În același timp, prin aplicarea unei acțiuni de control sub forma unui curent electric la baza tranzistorului, modificăm rezistența joncțiunii colector-emițător, modificând astfel parametrii divizorului de tensiune. Diferența față de un rezistor variabil este că tranzistorul este controlat de un curent slab. Exact așa funcționează un tranzistor bipolar. Cele de mai sus sunt prezentate în figura de mai jos:

Pentru ca tranzistorul să funcționeze în modul de amplificare a semnalului, fără a distorsiona acesta din urmă, este necesar să se asigure chiar acest mod de funcționare. Ei vorbesc despre deplasarea bazei tranzistorului. Specialiștii competenți se amuză cu regula: tranzistorul este controlat de curent - aceasta este o axiomă. Dar modul de polarizare al tranzistorului este stabilit de tensiunea bază-emițător, nu de curent - aceasta este realitatea. Și pentru cineva care nu ia în considerare tensiunea de polarizare, niciun amplificator nu va funcționa. Prin urmare, valoarea sa trebuie luată în considerare în calcule.

Deci, funcționarea unei cascade de tranzistori bipolar în modul de amplificare are loc la o anumită tensiune de polarizare la joncțiunea bază-emițător. Pentru un tranzistor cu siliciu, tensiunea de polarizare este în intervalul 0,6...0,7 volți, pentru un tranzistor cu germaniu - 0,2...0,3 volți. Cunoscând acest concept, puteți nu numai să calculați treptele tranzistorului, ci și să verificați funcționalitatea oricărei trepte de amplificare a tranzistorului. Este suficient să folosiți un multimetru cu rezistență internă ridicată pentru a măsura tensiunea de polarizare a emițătorului de bază a tranzistorului. Dacă nu corespunde cu 0,6...0,7 volți pentru siliciu sau 0,2...0,3 volți pentru germaniu, atunci căutați defecțiunea aici - fie tranzistorul este defect, fie circuitele de polarizare sau decuplare ale acestei cascade de tranzistori sunt defecte. .

Cele de mai sus sunt reprezentate pe grafic - caracteristica curent-tensiune (caracteristica volt-ampere).

Majoritatea „specialiștilor”, uitându-se la caracteristica curent-tensiune prezentată, vor spune: Ce fel de prostie este desenată pe graficul central? Nu așa arată caracteristica de ieșire a unui tranzistor! Este afișat în graficul din dreapta! O să răspund, totul este corect acolo și a început cu tuburi cu vid cu electroni. Anterior, caracteristica curent-tensiune a unei lămpi era considerată a fi căderea de tensiune pe rezistorul anod. Acum, ei continuă să măsoare pe rezistența colectorului, iar pe grafic adaugă litere care indică căderea de tensiune pe tranzistor, ceea ce este profund greșit. Pe graficul din stânga eu b – U b este prezentată caracteristica de intrare a tranzistorului. Pe graficul central eu k – Uk Este prezentată caracteristica curent-tensiune de ieșire a tranzistorului. Și în graficul din dreapta I R – U R arată graficul curent-tensiune al rezistenței de sarcină R la, care este de obicei trecută drept caracteristica curent-tensiune a tranzistorului însuși.

Graficul are o secțiune liniară folosită pentru a amplifica liniar semnalul de intrare, limitat de puncte OŞi CU. Punctul de mijloc - ÎN, este exact punctul în care este necesar să se conțină un tranzistor care funcționează în modul de amplificare. Acest punct corespunde unei anumite tensiuni de polarizare, care este de obicei luată în calcule: 0,66 volți pentru un tranzistor cu siliciu sau 0,26 volți pentru un tranzistor cu germaniu.

Conform caracteristicii curent-tensiune a tranzistorului, vedem următoarele: în absența sau tensiunea de polarizare scăzută la joncțiunea bază-emițător a tranzistorului, nu există curent de bază și curent de colector. În acest moment, întreaga tensiune a sursei de alimentare scade la joncțiunea colector-emițător. Odată cu o creștere suplimentară a tensiunii de polarizare bază-emițător a tranzistorului, tranzistorul începe să se deschidă, apare curentul de bază și, odată cu acesta, crește curentul colectorului. La atingerea „zonei de lucru” la punct CU, tranzistorul intră în modul liniar, care continuă până la punctul O. În același timp, căderea de tensiune la joncțiunea colector-emițător scade, iar la rezistența de sarcină R la, dimpotrivă, crește. Punct ÎN– punctul de polarizare de funcționare al tranzistorului este punctul în care, de regulă, se stabilește o cădere de tensiune egală cu exact jumătate din tensiunea sursei de alimentare la joncțiunea colector-emițător a tranzistorului. Segment de răspuns în frecvență din punct CU, până la obiect O numită zonă de lucru cu deplasare. După punct O, curentul de bază și deci curentul colectorului crește brusc, tranzistorul se deschide complet și intră în saturație. În acest moment, tensiunea cauzată de structură scade la joncțiunea colector-emițător n-p-n tranziții, care este aproximativ egală cu 0,2...1 volți, în funcție de tipul de tranzistor. Restul tensiunii de alimentare scade peste rezistența de sarcină a tranzistorului - rezistorul R la., ceea ce limitează și creșterea în continuare a curentului de colector.

Din cifrele „suplimentare” inferioare, vedem cum se modifică tensiunea la ieșirea tranzistorului în funcție de semnalul furnizat la intrare. Tensiunea de ieșire (căderea tensiunii colectorului) a tranzistorului este defazată (180 de grade) cu semnalul de intrare.

Calculul unei cascade de tranzistori cu un emițător comun (CE)

Înainte de a trece direct la calculul etapei tranzistorului, să acordăm atenție următoarelor cerințe și condiții:

Calculul unei cascade de tranzistori se efectuează, de regulă, de la sfârșit (adică de la ieșire);

Pentru a calcula o cascadă de tranzistori, trebuie să determinați căderea de tensiune pe joncțiunea colector-emițător a tranzistorului în modul de repaus (când nu există semnal de intrare). Este selectat astfel încât să se obțină cel mai nedistorsionat semnal. Într-un circuit cu un singur capăt al unei trepte de tranzistor care funcționează în modul „A”, aceasta este, de regulă, jumătate din valoarea tensiunii sursei de alimentare;

În circuitul emițător al tranzistorului curg doi curenți - curentul colector (de-a lungul căii colector-emițător) și curentul de bază (de-a lungul căii bază-emițător), dar deoarece curentul de bază este destul de mic, poate fi neglijat și poate fi neglijat. se poate presupune că curentul colectorului este egal cu curentul emițătorului;

Un tranzistor este un element de amplificare, așa că este corect să rețineți că capacitatea sa de a amplifica semnale ar trebui să fie exprimată printr-o anumită cantitate. Mărimea amplificării este exprimată printr-un indicator preluat din teoria rețelelor cu patru terminale - factorul de amplificare a curentului de bază într-un circuit de comutare cu un emițător comun (CE) și este desemnat - h 21. Valoarea sa este dată în cărțile de referință pentru anumite tipuri de tranzistori și, de obicei, o fișă este dată în cărțile de referință (de exemplu: 50 - 200). Pentru calcule se selectează de obicei valoarea minimă (din exemplu selectăm valoarea - 50);

Colectionar ( R la) și emițător ( R e) rezistențele afectează rezistențele de intrare și de ieșire ale etajului tranzistorului. Putem presupune că impedanța de intrare a cascadei R în =R e *h 21, iar rezultatul este R out = R to. Dacă rezistența de intrare a etapei tranzistorului nu este importantă pentru dvs., atunci vă puteți descurca deloc fără un rezistor R e;

Valorile rezistenței R laŞi R e limitează curenții care circulă prin tranzistor și puterea disipată de tranzistor.

Procedura și exemplul de calcul al unei cascade de tranzistori cu OE

Date inițiale:

Tensiune de alimentare U i.p.=12 V.

Selectați un tranzistor, de exemplu: Tranzistor KT315G, pentru acesta:

Pmax=150 mW; Imax=150 mA; h 21>50.

Acceptăm Rk =10*R e

Se ia tensiunea b-e a punctului de funcționare a tranzistorului U bae= 0,66 V

Soluţie:

1. Să determinăm puterea statică maximă care va fi disipată de tranzistor în momentele de trecere a semnalului alternativ prin punctul de funcționare B al modului static al tranzistorului. Ar trebui să fie o valoare cu 20 la sută mai mică (coeficient 0,8) din puterea maximă a tranzistorului specificată în director.

Acceptăm P dis.max =0,8*P max=0,8*150 mW = 120 mW

2. Să determinăm curentul colectorului în modul static (fără semnal):

I k0 =P ras.max /U ke0 =P ras.max /(U i.p. /2)= 120mW/(12V/2) = 20mA.

3. Având în vedere că jumătate din tensiunea de alimentare scade peste tranzistor în modul static (fără semnal), a doua jumătate a tensiunii de alimentare va scădea peste rezistențe:

(R la +R e)=(U i.p. /2)/I la0= (12V/2)/20mA=6V/20mA = 300 Ohm.

Luând în considerare gama existentă de valori ale rezistenței, precum și faptul că am ales raportul Rk =10*R e, găsim valorile rezistenței:

R la= 270 Ohm; R e= 27 ohmi.

4. Să găsim tensiunea la colectorul tranzistorului fără semnal.

U k0 =(U kе0 + I k0 *R e)=(U i.p. - I k0 *R k)= (12 V - 0,02 A * 270 Ohm) = 6,6 V.

5. Să determinăm curentul de bază al controlului tranzistorului:

I b =I k /h 21 =/h 21= / 50 = 0,8 mA.

6. Curentul total de bază este determinat de tensiunea de polarizare de bază, care este stabilită de divizorul de tensiune R b1,R b2. Curentul rezistiv divizor de bază ar trebui să fie mult mai mare (de 5-10 ori) curentul de control de bază eu b, astfel încât acesta din urmă să nu afecteze tensiunea de polarizare. Alegem un curent divizor care este de 10 ori mai mare decât curentul de control de bază:

R b1,R b2: eu caz.=10*I b

= 10 * 0,8 mA = 8,0 mA.

Apoi rezistența totală a rezistențelor R b1 + R b2 = U i.p.

7. /I del.

= 12 V / 0,008 A = 1500 Ohm. Să găsim tensiunea la emițător în modul de repaus (fără semnal). Când se calculează o treaptă de tranzistor, este necesar să se țină seama de: tensiunea bază-emițător a tranzistorului de lucru nu poate depăși 0,7 volți! Tensiunea la emițător în modul fără semnal de intrare este aproximativ egală cu:

U e =I k0 *R e = 0,02 A * 27 Ohm = 0,54 V, Unde

8. eu k0

— curentul de repaus al tranzistorului. Determinarea tensiunii la bază

U b =U e +U fie

=0,54 V+0,66 V=1,2 V De aici, prin formula divizorului de tensiune găsim: R b2 = (R b1 +R b2 )*U b /U i.p.= 1500 Ohm * 1,2 V / 12V = 150 Ohm

Rb1 = (Rb1 +Rb2)-Rb2 R b1= 1500 Ohm - 150 Ohm = 1350 Ohm = 1,35 kOhm. R b1 Conform seriei rezistoare, datorită faptului că prin rezistor

9. De asemenea, curge curentul de bază, selectăm rezistorul în direcția descrescătoare:

= 1,3 kOhm. Condensatorii de separare sunt selectați pe baza caracteristicilor de amplitudine-frecvență necesare (lățimea de bandă) a cascadei. Pentru funcționarea normală a treptelor de tranzistor la frecvențe de până la 1000 Hz, este necesar să selectați condensatori cu o valoare nominală de cel puțin 5 μF. La frecvențe mai mici, răspunsul amplitudine-frecvență (AFC) al cascadei depinde de timpul de reîncărcare al condensatoarelor de separare prin alte elemente ale cascadei, inclusiv elemente ale cascadelor învecinate. Capacitatea ar trebui să fie astfel încât condensatoarele să nu aibă timp să se reîncarce. Rezistența de intrare a etajului tranzistorului este mult mai mare decât rezistența de ieșire. Răspunsul în frecvență al cascadei în regiunea de joasă frecvență este determinat de constanta de timp R în =R e *h 21, t n =R în *C în— separarea capacității de intrare a cascadei. C afară treapta tranzistorului, aceasta t n =R în *C în urmatoarea cascada si se calculeaza in acelasi mod. Frecvența de tăiere inferioară a cascadei (frecvența de tăiere a frecvenței de tăiere) f n = 1/t n. Pentru amplificarea de înaltă calitate, atunci când proiectați o etapă de tranzistor, este necesar să alegeți raportul 1/t n =1/(R intrare *C intrare)< De 30-100 de ori pentru toate cascadele. Mai mult, cu cât mai multe cascade, cu atât ar trebui să fie mai mare diferența. Fiecare treaptă cu propriul său condensator adaugă propria scădere a răspunsului în frecvență. De obicei, o capacitate de izolare de 5,0 µF este suficientă. Dar ultima etapă, prin Cout, este de obicei încărcată cu rezistența de rezistență scăzută a capetelor dinamice, astfel încât capacitatea este crescută la 500,0-2000,0 µF, uneori mai mult.

Calculul modului cheie al etajului tranzistorului se realizează exact în același mod ca și calculul efectuat anterior al etajului amplificatorului. Singura diferență este că modul cheie presupune două stări ale tranzistorului în modul de repaus (fără semnal). Este fie închis (dar nu scurtcircuitat), fie deschis (dar nu suprasaturat). În același timp, punctele de funcționare de „repaus” sunt situate în afara punctelor A și C prezentate pe caracteristica curent-tensiune. Când tranzistorul ar trebui să fie închis în circuit într-o stare fără semnal, este necesar să îndepărtați rezistorul din circuitul în cascadă descris anterior. R b1. Dacă doriți ca tranzistorul să fie deschis în repaus, trebuie să măriți rezistența în circuitul în cascadă R b2 de 10 ori valoarea calculată și, în unele cazuri, poate fi eliminată din diagramă.