Биполярные транзисторы Презентацию выполнил : Презентацию выполнил : Григорчук Алексей Григорчук Алексей Студент группы Студент группы 21301

Введение Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно- транзисторную логику.Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно- транзисторную логику.Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей.

Общие сведения Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трёх областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трёх областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности Эти области разделяются электронно-дырочными переходами(э-д переходами). Особенность транзистора состоит в том, что между его э-д переходами существует взаимодействие - ток одного из электродов может управлять током другого. Такое управление возможно, потому что носители заряда, инжектированные через один из э-д переходов могут до другого перехода, находящегося под обратным напряжением, и изменить его ток. Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимиости от этого различают три режима работы транзистора:

Режим работы 1.Режим отсечки - оба э-д перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идёт сравнительно небольшой ток; 2.Режим насыщения - оба э-д перехода открыты; 3.Активный режим - один из э-д переходов открыт, а другой закрыт. В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причём транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы. Область транзистора, расположннная между переходами называется базой(Б). Примыкающие к базе оласти чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую - так, чтобы соответствующий переход наиличшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы. Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером(Э), а соответствующий переход эмиттерным. Область, основным назначением которой является экстракцией носителей из базы - коллектор(К), а переход коллекторным. Если на Э переходе напряжение прямое, а на К переходе обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности - инверсным. Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутстввать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует вижению неосновных носителей заряда от Э к К, то транзистор называют дрейфовым, усли же поле в базе отсутствует - бездрейфовый(диффузионный).

Устройство и принцип действия Биполярный транзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер n-полупроводник, база p- полупроводник, коллектор n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор). Биполярный транзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер n-полупроводник, база p- полупроводник, коллектор n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора

Активный режим работы В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 α) =( ). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора. В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 α) =( ). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Схемы включения Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями: Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями: Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх. Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх. Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх

Схема включения с общей базой Схема включения с общей базой Усилитель с общей базой. Усилитель с общей базой. Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется. Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется. Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α

Схема включения с общим эмиттером Схема включения с общим эмиттером Iвых = Iк Iвых = Iк Iвх = Iб Iвх = Iб Uвх = Uбэ Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ Uвых = Uкэ Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1] Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1] Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб Достоинства: Достоинства: Большой коэффициент усиления по току Большой коэффициент усиления по току Большой коэффициент усиления по напряжению Большой коэффициент усиления по напряжению Наибольшее усиление мощности Наибольшее усиление мощности Можно обойтись одним источником питания Можно обойтись одним источником питания Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного. Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного. Недостатки: Недостатки: Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Схема с общим коллектором Схема с общим коллектором Iвых = Iэ Iвых = Iэ Iвх = Iб Iвх = Iб Uвх = Uбк Uвх = Uбк Uвых = Uкэ Uвых = Uкэ Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1] Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1] Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=(Uбэ+Uкэ)/Iб Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=(Uбэ+Uкэ)/Iб Достоинства: Достоинства: Большое входное сопротивление Большое входное сопротивление Малое выходное сопротивление Малое выходное сопротивление Недостатки: Недостатки: Коэффициент усиления по напряжению меньше 1. Коэффициент усиления по напряжению меньше 1. Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем» Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем»

Применение транзисторов Усилители, каскады усиления Усилители, каскады усиления Усилителикаскады усиления Усилителикаскады усиления Генератор Генератор Генератор Модулятор Модулятор Модулятор Демодулятор (Детектор) Демодулятор (Детектор) Демодулятор Инвертор (лог. элемент) Инвертор (лог. элемент) Инвертор Микросхемы на транзисторной логике Микросхемы на транзисторной логике Микросхемы

Спасибо за внимание!

Ссылки и литература Электронные твердотельные приборы (online курс) Электронные твердотельные приборы (online курс) Справочник о транзисторах Справочник о транзисторах ge41.html ge41.html ранзистор ранзистор ранзистор ранзистор