Биполярные транзисторы. На рис. показано схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n и два допустимых варианта условного графического обозначения
На рис. показано схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n и два допустимых варианта условного графического обозначения.
Структура транзистора типа n-p-n (а)
и его графическое обозначение (б)
Структура транзистора типа p-n-p (а)
и его графическое обозначение (б)
Три схемы включения биполярного транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки. Транзисторы часто применяют для усиления переменных сигналов (которые при расчетах обычно считают синусоидальными), при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением.
Схема с общей базой (ОБ). Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх.
Учитывая, что , можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало.
Схема с общим эмиттером (ОЭ). Так как , а при достаточно большом сопротивлении Rн амплитуда переменной составляющей напряжения uвыхзначительно больше амплитуды напряжения uвх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.
Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.
Схема с общим коллектором (ОК).
Из рис. видно, что переменное входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер
Отсюда очевидно, что коэффициент усиления по напряжению около единицы, но всегда меньше ее:
К = Um вых /Um вх = Um вых /(Um бэ + Um вых) <1,
где Um вх , Um вых , Um бэ — амплитудные значения соответствующих переменных напряжений.
Коэффициент усиления по току каскада ОК практически такой же, как и в схеме включения с общим эмиттером: Ki = Im э /Im б = (Im к + Im б)/Im б = 1+ Im к /Im б.
Здесь Im к /Im б — есть коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.
Каскад с общим коллектором фазу сигнала не переворачивает, т. е. сдвига фазы между входным и выходным напряжениями нет. Таким образом, выходное напряжение почти равно входному и совпадает с ним по фазе, как бы повторяя входное напряжение. Поэтому каскад с общим коллектором обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерный повторитель обладает самым большим среди всех схем включения транзистора входным сопротивлением.
Большое входное сопротивление эмиттерного повторителя позволяет использовать его в качестве согласующего устройства между усилительным каскадом и высокоомным источником сигнала и т.
д. Это является важным свойством данной схемы.
.
Основные параметры схем включения транзисторов
| Параметр | Схема ОЭ | Схема ОБ | Схема ОК |
| Коэффициент усиления по току | Десятки — сотни | Около единицы (немного меньше) | Десятки — сотни |
| Коэффициент усиления по напряжению | Десятки — сотни | Десятки — сотни | Около единицы |
| Коэффициент усиления по мощности | Сотни — десятки тысяч | Десятки — сотни | Десятки — сотни |
| Входное сопротивление | Сотни Ом — единицы килоом | Единицы — десятки Ом | Десятки — сотни килоом |
| Выходное сопротивление | Единицы — десятки килоом | Сотни Ом — единицы мегаом | Единицы — сотни Ом |
| Фазовый сдвиг между выходным и входным напряжениями | 1800 |
h – параметры транзистора
При определении переменных составляющих токов и напряжений (т.
е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (см.рис.). В четырехполюснике условно изображен транзистор с общим эмиттером.
Транзистор в виде четырехполюсника
Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:
i1 – переменная составляющая тока базы;
u1 – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;
i2 – переменная составляющая тока коллектора;
u2 – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.
Существует несколько систем вторичных параметров четырехполюсников — это Y-, Z— и H-параметры. В настоящее время во всех справочниках приводятся Н-параметры, которые считаются основными, поэтому ограничимся рассмотрением только Н-параметров.
Эти параметры называют еще гибридными или смешанными параметрами, так как коэффициенты имеют различные размерности. Обозначаются эти параметры буквой Н или h.
Связь h-параметров с токами и напряжениями в транзисторе можно представить следующими уравнениями:
— через приращения:
Du1 = h11×Di1 + h12×Du2; (1)
Di2 = h21×Di1 + h22×Du2, (2)
— через амплитуды переменных составляющих:
Um1 = h11Im1 + h12Um2; (3)
Im2 = h21 Im1 + h22Um2. (4)
Из приведенных систем уравнений следует, что параметр h11
е. когда амплитуда выходного напряжения Um2 = 0, h12 соответствует коэффициенту обратной связи по напряжению, h21 — коэффициенту передачи (усиления) по току, h22 — выходной проводимости при соответствующих начальных условиях.Значения h-параметров зависят от типа схемы включения транзистора. Поэтому, в зависимости от того, к какой схеме относятся параметры, дополнительно к цифровым индексам ставятся буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ и «к» — для схемы ОК.
Radartutorial
Работа с npn-транзисторами
Pn-переход с прямым смещением сравним с элементом цепи с низким сопротивлением
потому что он пропускает большой ток для данного напряжения. В свою очередь, обратное смещение
pn-переход можно сравнить с высокоомным элементом цепи.
Используя формулу закона Ома для мощности (P = I 2 · R)
и предполагая, что ток поддерживается постоянным, вы можете сделать вывод, что мощность, развиваемая на высоком сопротивлении
больше, чем при низком сопротивлении.
Таким образом, если бы кристалл содержал два
pn-переходы (один с прямым смещением, другой с обратным смещением), маломощный сигнал
могут быть введены в переход с прямым смещением и генерировать сигнал высокой мощности на переходе с обратным смещением.
узел. Таким образом, на кристалле будет получено усиление мощности.
Эта концепция, которая является просто расширением материала, изложенного в предыдущих темах,
это основная теория усиления транзистора. С этой свежей информацией в памяти,
приступим непосредственно к транзистору npn.
коллектор
база
эмиттер
прямое смещение
Рис. 1. Переход с прямым смещением в npn-транзисторе
коллектор
база
эмиттер
прямое смещение
Рис. 1. Переход с прямым смещением в npn-транзисторе
Как и в случае диода с pn-переходом, n-материал
состоящий из двух концевых секций npn-транзистора, содержит некоторое количество свободных электронов,
в то время как центральная секция p содержит избыточное количество отверстий.
Действие на каждом стыке между
эти разделы такие же, как описано ранее для
диод;
то есть развиваются области истощения и появляется соединительный барьер. Чтобы использовать транзистор в качестве усилителя,
каждый из этих переходов должен модифицироваться некоторым внешним напряжением смещения. Для транзистора
чтобы функционировать в этом качестве, первый pn-переход (переход эмиттер-база) смещен в
вперед, или направление с низким сопротивлением. В то же время второй pn-переход
(переход база-коллектор) смещен в обратном или высокоомном направлении. Буквы этих
элементы указывают, напряжение какой полярности использовать для правильного смещения.
Например, обратите внимание на npn-транзистор, показанный на рисунке 2:
Эмиттер, который является первой буквой в последовательности n pn, подключен к n отрицательная сторона батареи, а основание, которое является второй буквой (n p n),
подключается к положительной стороне p . Однако, поскольку второй pn-переход
требуется обратное смещение для правильной работы транзистора, коллектор должен быть подключен
к напряжению противоположной полярности (положительному), чем указанное в его буквенном обозначении (npn).
Напряжение на коллекторе также должно быть больше положительного, чем на базе, как показано рядом:
Теперь у нас есть npn-транзистор с правильным смещением.
Таким образом, база npn-транзистора должна быть положительной относительно к эмиттеру, а коллектор должен быть более положительным, чем база.
коллектор
база
эмиттер
обратное смещение
прямое смещение
Рисунок 2: Переходы в npn-транзисторе.
коллектор
база
эмиттер
обратное смещение
прямое смещение
Рис. 2. Переходы в npn-транзисторе.
npn переход прямого смещения
Важный момент, на который стоит обратить внимание, который не обязательно упоминался во время
объяснением диода является тот факт, что n-материал
на одной стороне перехода с прямым смещением легирован сильнее, чем материал р.
Это приводит к большему току, переносимому через соединение электронами большинства носителей.
из n-материала, чем большинство несущих отверстий из p-материала.
Следовательно, проводимость через соединение с прямым смещением, как показано на рисунке 3,
в основном электронами-носителями из n-материала (эмиттера).
дырочный поток
электронный поток
Рисунок 3: Strom durch den pn- Übergang in Durchlasspolung
дырочный поток
электронный поток
Рисунок 3: Strom durch den pn- Übergang in Durchlasspolung
С переходом эмиттер-база на рисунке, смещенным в прямом направлении, электроны покидают отрицательную клемму батареи и входят в n-материал (эмиттер). Поскольку электроны являются основными носителями тока в n-материале, они легко проходят через эмиттер, пересечь соединение и соединить с отверстиями в материале p (основе). За каждый электрон, заполняющий дырку в p-материале, другой электрон покинет p материал (создав новое отверстие) и введите положительную клемму аккумулятора.
npn переход с обратным смещением
Рис.
4.коллектор
база
эмиттер
обратный
смещенный
переход
дырочный поток
электрон
поток
Рис. 4. Переход с обратным смещением в npn-транзисторе.
Второй p-n-переход (база-коллектор) или
переход с обратным смещением, как его называют (рис. 4), блокирует большую часть тока
перевозчики не пересекают перекресток. Но ток очень маленький
который проходит через это соединение. Этот ток называется током меньшинства или обратным
Текущий. Как вы помните, этот ток создавался электронно-дырочными парами.
неосновными носителями для pn-перехода с обратным смещением являются
электроны в p-материале и дырки в n-материале.
Эти неосновные носители фактически проводят ток для перехода с обратным смещением, когда
электроны из p-материала входят в n-материал, а дырки
из n-материала ввести p-материал.
Однако наиболее важную роль в операции играют неосновные электроны с током.
транзистора npn.
взаимодействие npn-перехода
Батареи смещения на рисунке 5 обозначены V CC для коллектора. источника питания и V BB для источника базового напряжения. Также обратите внимание на базу батарея питания довольно мала, на что указывает количество ячеек в батарее, обычно 1 вольт или меньше. Тем не менее, предложение коллектора, как правило, намного выше, чем базовое. питание, обычно около 6 вольт. Эта разница в напряжениях питания необходима для есть ток от эмиттера к коллектору.
Collector
Основание
EMITTE
Обратный
смещение
Переход
БАЙС
Поток отверстия
ЭЛЕКТРОН
Поток
V BB
9004 VCC BB
9004 VCC. BB
9004 V . CC. BB 9004 V . CC. . в основном действие относительно небольшое напряжение смещения эмиттер-база, управляющее относительно большим током эмиттер-коллектор.
коллектор
база
Эмиттер
Обратный
смещение
Переход
смещение
Поток отверстия
ЭЛЕКТРОН
Поток
В BB
V CCC
V . относительно небольшое напряжение смещения эмиттер-база, управляющее относительно большим током эмиттер-коллектор.
Протекание тока во внешней цепи всегда связано с
движение свободных электронов. Следовательно, электроны текут от отрицательных клемм
питание батарей к эмиттеру n-типа. Это комбинированное движение электронов известно как эмиттер.
ток (I Е ). Поскольку электроны являются основными носителями в n-материале,
они будут двигаться через эмиттер из n-материала к переходу эмиттер-база. С этим
переход смещен вперед, электроны продолжают двигаться в базовую область. Как только электроны
находятся в основе, которая представляет собой материал р-типа, они становятся неосновными носителями.
Некоторые из
электроны, которые движутся в базу, рекомбинируют с имеющимися дырками. Для каждого электрона
при рекомбинации другой электрон уходит через вывод базы в виде базового тока I Б (создавая новое отверстие для возможной комбинации) и возвращается на базовую батарею питания V.
Электроны, которые рекомбинируют, теряются для коллектора.
Поэтому, чтобы сделать транзистор более эффективным, базовая область сделана очень тонкой и
слегка легированный. Это уменьшает возможность рекомбинации электрона с дыркой и
Потерянный. Таким образом, большая часть электронов, которые движутся в базовую область, попадают под
влияние большого обратного смещения коллектора. Это смещение действует как прямое смещение для
неосновные носители (электроны) в базе и как таковой ускоряет их через
переход база-коллектор и далее в область коллектора. Так как коллектор изготовлен из
материал n-типа, электроны, которые достигают коллектора, снова становятся большинством
действующие перевозчики.
Попав в коллектор, электроны легко перемещаются по коллектору.
n материал и возврат к плюсовой клемме коллектора питающей батареи V СС как ток коллектора (I C ).
Для дальнейшего повышения КПД транзистора коллектор выполнен физически больше, чем база по двум причинам: (1) чтобы увеличить вероятность сбора носители, которые диффундируют в стороны, а также непосредственно через базовую область, и (2) в позволяют коллектору обрабатывать больше тепла без повреждений.
Рисунок 6: Полный ток, протекающий через npn-транзистор
Рисунок 6: Полный ток, протекающий через npn-транзистор
Таким образом, общий ток в npn-транзисторе протекает через вывод эмиттера.
Следовательно, в процентном отношении I E равно 100 процентам. С другой стороны, поскольку
база очень тонкая и слаболегированная, меньший процент от общего тока
(ток эмиттера) будет протекать в цепи базы, чем в цепи коллектора. Обычно нет
от 2 до 5 процентов от общего тока составляет базовый ток (I B ), а
оставшиеся 95-98 процентов составляют ток коллектора (I C ).
Очень простые отношения
существует между этими двумя потоками:
I E = I B + I C
Проще говоря, это означает, что ток эмиттера разделяется на базовый и ток коллектора. Поскольку количество тока, выходящего из эмиттера, зависит исключительно от смещения эмиттер-база, и поскольку коллектор получает большую часть этого тока, небольшое изменение смещения эмиттер-база окажет гораздо большее влияние на величину коллектора ток, чем он будет иметь при базовом токе. В заключение относительно небольшой эмиттерно-базовое смещение контролирует относительно большой ток между эмиттером и коллектором.
Патент США на многоэлементный транзистор с плавкими вставками базы и эмиттера. Патент (Патент № 4,742,425, выдан 3 мая 1988 г.) элементы, расположенные между соответствующими базовыми, эмиттерными и коллекторными шинами, и в которых цепь или перемычка плавкого предохранителя соединены в дорожках коллектор-эмиттер и в соединении базы каждой транзисторной ячейки.
Такой многоэлементный транзистор уже известен из DE-PS № 24 08 540. Многоэлементный транзистор состоит из параллельного соединения отдельных ячеек транзистора между общей соединительной шиной базы, эмиттера и коллектора, в каждом случае, и предпочтительно построен по интегрированной технологии. Особый недостаток такого многоячеечного транзистора состоит в том, что весь многоячеечный транзистор становится неработоспособным при коротком замыкании в одной транзисторной ячейке. Такие дефекты могут возникать во время производства из-за дисперсии материала или из-за примесей во время изготовления, но они также могут быть вызваны во время эксплуатации из-за локальных тепловых перегрузок или внезапных перенапряжений. Транзисторные элементы, вышедшие из строя при изготовлении, могут быть локализованы путем последующего индивидуального измерения и могут быть отделены от составной конструкции путем выжигания плавких сегментов соединения. С другой стороны, транзисторные ячейки, которые выходят из строя во время работы многоячеечного транзистора, должны быть способны отделяться друг от друга, так что достигается так называемый эффект самовосстановления.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Многоэлементный транзистор согласно изобретению, содержащий переключатели, управляемые напряжением, включенные между соединительной шиной и точкой соединения плавкой вставки с соединением базы, которое удалено от базы, имеет то преимущество, что достигается особенно надежное автоматическое отделение дефектной транзисторной ячейки. Соответственно, можно использовать более широкие конструкции базовой плавкой вставки в комплексной технологии и снизить требования к точности отделки.
Особенно просто сконструировать выключатель с возмущением напряжения с помощью одного стабилитрона, который можно особенно просто изготовить в комплексной технике с помощью транзистора, работающего в блокирующем направлении, база и коллектор которого связаны друг с другом. Особенно предпочтительная характеристика переключения переключателя, управляемого напряжением, достигается за счет использования тиристора. Последний можно активировать с помощью стабилитрона или с помощью делителя напряжения.
В монолитной интегральной технике этот тиристор может быть изготовлен особенно просто путем соединения p-n-p транзистора с n-p-n транзистором.
ЧЕРТЕЖ
На чертежах показаны три примера осуществления изобретения, которые более подробно объясняются в последующем описании.
РИС. 1 показана основная схема многоячеечного транзистора согласно изобретению;
РИС. 2 показана принципиальная схема транзисторной ячейки согласно первому примеру выполнения;
РИС. 3 показана транзисторная ячейка согласно второму примеру осуществления;
РИС. 4 показана принципиальная схема транзисторной ячейки согласно третьему примеру выполнения;
РИС. 5 показан вид сверху транзисторной ячейки согласно первому примеру осуществления;
РИС. 6 показан вид принципиальной схемы транзисторной ячейки согласно второму примеру осуществления.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
РИС.
1 показаны эмиттерная шина 1, базовая шина 2 и коллекторная шина 3 многоячеечного транзистора согласно изобретению, из которых на фиг. 1 для простоты. Другие транзисторные ячейки, которые не показаны, соединены параллельно, так что имеется более низкое распределение мощности на каждую отдельную транзисторную ячейку всего многоячеечного транзистора.
Транзисторная ячейка 41 содержит выходной транзистор 5, коллектор которого соединен с коллекторной шиной 3, а весь эмиттер соединен с эмиттерной шиной 1 через эмиттерную плавкую вставку или сегмент 6. Другая плавкая вставка 7 подключена к база выходного транзистора 5 и соединена с базовой шиной 2 через базовый резистор 8. Кроме того, между точкой соединения базовой плавкой вставки 7 и базовым резистором 8 включен управляемый напряжением переключатель 9, а эмиттерная шина 1.
Схема, показанная в базовой форме на РИС. 1 работает следующим образом. Если при работе многоячеечного транзистора возникает дефект в транзисторной ячейке, который означает короткое замыкание в выходном транзисторе 5, то между коллекторной шиной 3 и эмиттерной шиной 1 возникает более высокий ток короткого замыкания.
через неисправный выходной транзистор 5, что приводит к перегоранию эмиттерной плавкой вставки 6. В дальнейшем база неисправного выходного транзистора 5 через коллектор подводится практически к потенциалу коллекторной шины 3. Переключатель 9, управляемый напряжениемвключается автоматически, так что более высокий ток протекает через базовую плавкую вставку 7 и, наконец, также разрывает базовую плавкую вставку 7. Соответственно, дефектная транзисторная ячейка полностью отделяется от многоячеечной транзисторной структуры.
РИС. 2 показан первый пример осуществления изобретения, в котором, как и на фиг. 1 выходной транзистор обозначен цифрой 5, плавкая вставка эмиттера цифрой 6, плавкая вставка базы цифрой 7, резистор базы цифрой 8. Переключатель 9, управляемый напряжением, выполнен с помощью тиристора, выполненного по известной схеме. способом с помощью p-n-p транзистора 91 в связи с n-p-n транзистором 92. Для этого база p-n-p транзистора 91 соединена с коллектором n-p-n транзистора 92, а коллектор p-n-p транзистора 91 соединена с базой n-p-n транзистора 92.
Эмиттер p-n-p транзистора 91 подключен к базовой плавкой вставке 7, а эмиттер n-p-n транзистора 92 подключен к эмиттерной шине 1. Стабилитрон 93 подключен к эмиттеру p-n-p транзистора 91 своим катодом , его анод соединен с базой n-p-n транзистора 92. Служит для включения тиристора.
При возникновении короткого замыкания в выходном транзисторе 5, которое сначала разрывает эмиттерную плавкую вставку 6, стабилитрон 93 приводится в электропроводящее состояние за счет повышения потенциала базы неисправного выходного транзистора 5, и тиристор, образованный транзисторами 91, 92, активируется, и базовая плавкая вставка 7 размыкается.
РИС. 3 показан второй пример осуществления изобретения с помощью одной транзисторной ячейки. Как на фиг. 2 выходной транзистор обозначен цифрой 5, эмиттерная плавкая вставка – цифрой 6, базовая плавкая вставка – цифрой 7, а транзистор p-n-p и транзистор n-p-n, образующие тиристор, – цифрой 9.1 и 92 соответственно. Однако тиристор активируется не с помощью стабилитрона, а с помощью специальной конструкции базового резистора 8, которая образована на фиг.
3 с помощью базового резистора 81 и делительного резистора 82. Для этого делительный резистор 82 включен между базой p-n-p транзистора 91 и точкой делителя базового резистора 81. В противном случае работа схемы согласно к фиг. 3 эквивалентен показанному на фиг. 2.
РИС. 4 показан третий пример осуществления изобретения с использованием отдельной транзисторной ячейки. Как и в предыдущих примерах, выходной транзистор снова обозначен цифрой 5, плавкая вставка эмиттера — цифрой 6, плавкая вставка базы — цифрой 7, а базовый резистор — цифрой 8. Однако одиночный стабилитрон 94, который по этой причине подключен между базовой плавкой вставкой 7 и эмиттерной шиной 1, теперь служит выключателем. В этом случае также работает схема согласно фиг. 4 эквивалентен двум предыдущим примерам осуществления.
РИС. 5 показан вид сверху интегральной транзисторной ячейки согласно первому примеру выполнения по фиг. 2. Видны широкая эмиттерная плавкая вставка 6, которая может пропускать большой ток, и базовая плавкая вставка 7, которая относительно узкая по сравнению с плавкой вставкой 6.
Эмиттер выходного транзистора 5 обозначен цифрой 51, а его база и коллектор соответственно обозначены цифрами 52 и 53 соответственно. Базовая плавкая вставка 7 ведет к базовому резистору 8, при этом эмиттер 911 p-n-p транзистора 91 тиристора подключен к его соединительному контакту. База p-n-p-транзистора 91 и коллектор n-p-n-транзистора 92, который формируется одновременно, обозначены цифрами 912 и 923 соответственно. Зона диффузии, обозначенная цифрой 913, представляет собой коллектор p-n-p транзистора 91. Эмиттер обозначен цифрой 921, а база транзистора n-p-n 92 обозначена цифрой 922. Над тиристором, образованным с помощью последнего, на чертеже показана диффузионная зона 93, который представляет стабилитрон согласно фиг. 2, который имеет такое же обозначение.
Эта предпочтительная интеграция схемы согласно изобретению в соответствии с первым примером осуществления является лишь одной из многих возможностей интеграции, доступных специалисту в данной области техники. Соответственно, изобретение не ограничено выбранным здесь примером осуществления.
