Файл: Расчет бездрейфового сплавного биполярного транзистора.docx
Добавлен: 30.11.2023
Просмотров: 92
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
1.3 Режимы работы биполярного транзистора
В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: активный (линейный или усилительный), инверсный, насыщения и отсечки.
Активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Этот режим является основным режимом, так как при нем обеспечиваются максимальное значение коэффициента передачи тока эмиттера при минимальных искажениях усиливаемого сигнала, и транзистор работает как усилительный элемент. На выходной характеристике биполярного транзистора (рисунок 3, б) активному режиму соответствует линейная область.
Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Исходя из реальной структуры несимметричного транзистора, этот режим работы приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой транзистора в активном режиме, и поэтому на практике применяется крайне редко. Для симметричного транзистора (с одинаковыми площадями эмиттерного и коллекторного переходов) коллектор и эмиттер взаимозаменяемы. Инверсный режим работы такого транзистора используется в двунаправленных ключах.
Режим насыщения (двойной инжекции) – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера (порядка единицы – десятки милливольт) этот режим используется для замыкания электрических цепей. На выходной характеристике биполярного транзистора (см. рисунок 3, б) режиму насыщения соответствует область, расположенная слева от линейной области.
Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулюи его сопротивление имеет максимальное значение, то этот режим используется для размыкания электрических цепей. На выходной характеристике биполярного транзистора (см. рисунок 3, б) режиму отсечки соответствует область, расположенная ниже характеристики, соответствующей iвх = 0.
Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электронных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов
, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех этих применениях транзистор попеременно переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно.
Рисунок 3 – Обобщенные статические характеристики биполярного транзистора: a – входная; б – выходная; в – прямой передачи; г – обратной связи
1.4 Статические характеристики
Биполярный транзистор при работе в электрических цепях рассматривают как активный четырехполюсник (рисунок 4), при этом образуются две цепи: входная и выходная.
Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка. Для величин, относящихся к входной и выходной цепями, применяют соответственно индексы «вх» и «вых» или «1» и «2».
Рисунок 4 – Транзистор как активный четырехполюсник
Зависимости между токами и напряжениями (вольтамперные характеристики) в транзисторах выражаются статическими характеристиками транзисторов, снятыми при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи. Характеристики необходимы для рассмотрения свойств транзисторов и для практических расчетов транзисторных схем.
В транзисторах взаимно связаны всегда четыре величины: iвх, iвых, uвх, uвых – входные и выходные токи и напряжения. Для более точного определения свойств транзисторов необходимо несколько семейств статических характеристик:
входныхiвх=f(uвх)|uвых=const,
выходныхiвых=f(uвых)|iвх=const;
прямой передачи iвых=f(iвх)|uвых=const;
обратной связи uвх=f(uвых)|iвх=const .
Обобщенный вид характеристик приведен на рисунке 3. Поскольку напряжения и токи транзисторов типов n-p-n и p-n-p имеют разные знаки (имеют противоположное друг другу направление), то иногда характеристики строят с учетом этого, то есть отрицательные значения напряжения и тока откладывают на осях влево и вниз. Но, как правило, удобнее отображать статические характеристики транзистора с осями вправо и вверх, причем полярность напряжений на транзисторе и направление токов в его цепях всегда определяются соответственно типу транзистора независимо от того, как изображены его характеристики.
Для каждой из трех схем включения транзистора существует свое семейство характеристик. Пользуясь характеристиками, необходимо обращать внимание к какой схеме они относятся. Для однозначного установления зависимости между токами и напряжениями транзистора достаточно иметь два семейства характеристик (входных и выходных), остальные могут быть получены путем перестроения.
Входные и выходные характеристики аналогичны характеристикам полупроводникового диода и имеют ярко выраженный нелинейный характер. Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, который работает в активном режиме при прямом напряжении. Поэтому входные характеристики аналогичны характеристике прямого тока диода. Выходные характеристики подобны характеристике обратного тока диода, так как они отражают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении.
Семейство входных характеристик (рисунок 3, а) выражает зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном значении выходного напряжения. Значение выходного напряжения может увеличиваться как вправо (uвых1 < uвых2 < uвых3), так и влево (uвых1 > uвых2 > uвых3) в зависимости от конкретного вида схемы включения транзистора. Часть характеристик (при uвых> 0) необязательно выходит из начала координат и может быть смещена по оси входного напряжения вниз. Наклон входной характеристики в любой рабочей точке определяет соответствующее значение входного сопротивления. Очевидно, что входные характеристики зависят от выходного напряжения. Анализ входных характеристик показывает, что при изменении выходного напряжения входное сопротивление меняется незначительно, но при изменениях входного напряжения изменяется в широких пределах. Типовые значения входного сопротивления для маломощных транзисторов в пределах от 500 до 2000 Ом.
Семейство выходных характеристик определяет взаимосвязь между выходным током и выходным напряжением при постоянном входном токе. Наклон кривых определяет выходную проводимость транзистора. Типовое значение выходной проводимости 50·10-6 См. Первая характеристика (iвх = 0) соответствует сквозному выходному току. Остальные характеристики расположены в порядке возрастания входного тока, то есть iвх1 < iвх2 < iвх3. Ниже первой характеристики расположена область режима работы транзистора отсечки (заштрихованная область). Нелинейный участок в начале характеристик соответствует режиму насыщения, линейный участок – нормальному (активному) режиму работы транзистора (при этом выходной ток практически пропорционален входному). Характеристики могут быть смещены относительно оси выходного тока влево. Это также зависит от конкретной схемы включения транзистора.
На рисунке 3, б также приводится кривая, обозначающая максимально допустимую рассеиваемую коллектором мощность. Для исключения режима теплового пробоя режим работы транзистора следует выбирать ниже этой кривой. На рисунке 3, б также приводится линия, при достижении соответствующего выходного напряжения происходит электрический пробой.
Хотя для расчета схем с транзисторами достаточно иметь входные и выходные характеристики, иногда пользуются еще и характеристиками прямой передачи (или характеристиками управления). Эти характеристики выражают зависимость выходного тока от входного тока при постоянном выходном напряжении (то есть коэффициент передачи тока). Также иногда применяется зависимость выходного тока от входного напряжения. Как видно из рисунка 3, в эта зависимость близка к линейной. Изменение выходного напряжения мало влияет на выходной ток.
Помимо рассмотренных характеристик существуют еще характеристики обратной связи, которые показывают изменение напряжения на входе транзистора под влиянием изменения выходного напряжения при постоянном входном токе.
В транзисторах всегда присутствует внутренняя обратная связь. Это объясняется влиянием поперечного сопротивления базы, явлением модуляции толщины базы, а также тем, что выходная и входная цепи электрически соединены. Характеристики обратной связи не применяются для расчетов и в дальнейшем не рассматриваются.
1.5 Параметры биполярных транзисторов
Статическими характеристиками транзисторов пользуются, как правило, для определения режимов работы транзисторных схем, а также для графического анализа этих схем в режиме большого сигнала. При аналитическом методе расчета применяют эквивалентные схемы транзисторов для переменного тока. Так как значения напряжений и токов переменных сигналов значительно меньше, чем постоянного, то такие эквивалентные схемы часто называют малосигнальными.
Малосигнальные эквивалентные схемы транзистора, представляющие собой линейные цепи, подразделяют на две большие группы:
– эквивалентные схемы, построенные с учетом физических свойств структуры и геометрии транзистора (модели транзистора);
– эквивалентные схемы активного линейного четырехполюсника (формальные эквивалентные схемы).
Первые характеризуются физическими параметрами транзистора (их еще называют собственными, или первичными, или внутренними), вторые – параметрами транзистора, как четырехполюсника (характеристическими или вторичными параметрами). Обе группы названных эквивалентных схем могут быть использованы при анализе транзисторных схем, работающих в активном режиме.
Рисунок 5 – Упрощенная Т-образная эквивалентная схема транзистора
Эквивалентная схема для области низких частот, содержащая параметры транзистора, может быть представлена для любой схемы включения транзистора. На рисунке 5 представлена упрощенная Тобразная эквивалентная схема транзистора. Эта схема в известной мере отражает структурное сочетание составных элементов в транзисторе. Основными первичными параметрами являются сопротивления rэ, rк и rб, то есть сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току.
Цепь базы транзистора представлена в эквивалентной схеме общим сопротивлением объема базы. Модуляция толщины базы отражается наличием в схеме коллекторного сопротивления. Эмиттерный переход отражен наличием соответствующего сопротивления.
Все системы вторичных параметров основаны на том, что транзистор рассматривается как активный четырехполюсник. Вторичные параметры связывают входные и выходные переменные токи и напряжения и справедливы только для данного режима транзистора и для малых амплитуд.
2 Расчет германиевого сплавного транзистора типа p-n-p
Данные к расчету
Транзистор германиевый сплавной:
| UK =-10В | 2Rб=3мм |
| Iэ=1мА | pэ=0,003Ом·см |
| w1=70мкм | pб=1,5Ом·см |
| w2=100мкм | pк=0,003Ом·см |
| w3=170мкм | Lэ=5мкм |
| Rэ=0,45мм | τб=30мкс |
| Rк=0,65мм | Lк=6мкм |
| S=1200см/сек | |
Диаметр кристалла германия равен 3 мм.
-
Расчёт коэффициента передачи по току α
Коэффициент передачи по току транзистора в схеме с общей базой определяется результирующим действием нескольких физических факторов и состоит из трех компонентов:
(6)2.1.1 Расчёт эффективности эмиттерного перехода – γ
Расчёт эффективности эмиттерного перехода γ производим по следующей формуле: