bipolárne tranzistory. Pre hlupákov. Vstupné a výstupné charakteristiky spoločného emitorového obvodu

Takže tretia a posledná časť príbehu o bipolárnych tranzistoroch na našej webovej stránke =) Dnes budeme hovoriť o použití týchto úžasných zariadení ako zosilňovačov, zvážte možné spínacie obvody bipolárnych tranzistorov a ich hlavné výhody a nevýhody. Začnime!

Tento obvod je veľmi dobrý pri použití vysokofrekvenčných signálov. V zásade sa na to používa v prvom rade takéto zahrnutie tranzistora. Veľmi veľkými nevýhodami sú nízky vstupný odpor a samozrejme chýbajúce prúdové zosilnenie. Presvedčte sa sami, na vstupe máme emitorový prúd, na výstupe.

To znamená, že emitorový prúd je väčší ako kolektorový prúd o malé množstvo základného prúdu. A to znamená, že nielenže neexistuje žiadny prúdový zisk, navyše výstupný prúd je o niečo menší ako vstupný prúd. Aj keď na druhej strane má tento obvod pomerne veľký koeficient prenosu napätia) Toto sú výhody a nevýhody, pokračujeme ....

Schéma zapínania bipolárneho tranzistora so spoločným kolektorom

Takto vyzerá spínací obvod bipolárneho tranzistora so spoločným kolektorom. Nepripomína vám to niečo?) Ak sa pozriete na obvod z trochu iného uhla, tak tu spoznáme nášho starého priateľa - emitenta. Bol o ňom takmer celý článok (), takže sme už zvážili všetko, čo súvisí s touto schémou. Zatiaľ čakáme na najčastejšie používaný obvod – so spoločným žiaričom.

Schéma zapínania bipolárneho tranzistora so spoločným emitorom.

Táto schéma si získala popularitu pre svoje zosilňujúce vlastnosti. Zo všetkých obvodov dáva najväčší zisk prúdu a napätia, nárast výkonu signálu je tiež veľký. Nevýhodou obvodu je, že zosilňovacie vlastnosti sú značne ovplyvnené nárastom teploty a frekvenciou signálu.

Zoznámili sme sa so všetkými obvodmi, teraz sa pozrime bližšie na posledný (ale nie najmenej dôležitý) obvod zosilňovača na bipolárnom tranzistore (so spoločným emitorom). Na začiatok si to predstavme trochu inak:

Existuje jedno mínus - uzemnený žiarič. Pri tomto zaradení tranzistora dochádza na výstupe k nelineárnym skresleniam, s ktorými sa samozrejme treba vysporiadať. Nelinearita nastáva v dôsledku vplyvu vstupného napätia na napätie prechodu emitor-báza. V emitorovom obvode skutočne nie je nič „extra“, celé vstupné napätie sa aplikuje presne na spojenie báza-emitor. Aby sme sa vyrovnali s týmto javom, pridáme do obvodu emitora odpor. Tak dostaneme negatívna odozva.

Ale čo to je?

Skrátka teda princíp negatívneho chrbta th spojenia je, že určitá časť výstupného napätia sa prenesie na vstup a odčíta sa od vstupného signálu. Prirodzene to vedie k zníženiu zosilnenia, pretože vstup tranzistora v dôsledku spätnej väzby dostane nižšiu hodnotu napätia ako pri absencii spätnej väzby.

Napriek tomu je pre nás negatívna spätná väzba veľmi užitočná. Pozrime sa, ako to pomôže znížiť vplyv vstupného napätia na napätie medzi základňou a emitorom.

Takže, nech nie je žiadna spätná väzba, Zvýšenie vstupného signálu o 0,5 V vedie k rovnakému zvýšeniu. Všetko je jasné 😉 A teraz pridávame spätnú väzbu! A rovnakým spôsobom zvýšime vstupné napätie o 0,5 V. Následne sa zvýši, čo vedie k zvýšeniu prúdu emitora. A zvýšenie vedie k zvýšeniu napätia cez odpor spätnej väzby. Zdá sa, že je to tak? Ale toto napätie je odpočítané od vstupu! Pozrite si, čo sa stalo:

Vstupné napätie sa zvýšilo - prúd emitora sa zvýšil - napätie na odpore so zápornou spätnou väzbou sa zvýšilo - vstupné napätie sa znížilo (v dôsledku odčítania) - napätie sa znížilo.

To znamená, že negatívna spätná väzba zabraňuje zmene napätia bázy-emitora pri zmene vstupného signálu.

V dôsledku toho bol náš obvod zosilňovača so spoločným emitorom doplnený odporom v obvode emitora:

S naším zosilňovačom je ďalší problém. Ak sa na vstupe objaví záporná hodnota napätia, tranzistor sa okamžite zatvorí (základné napätie bude menšie ako napätie emitora a dióda báza-emitor sa zatvorí) a na výstupe nebude nič. To akosi nie je veľmi dobré) Preto je potrebné vytvárať zaujatosť. Môžete to urobiť pomocou rozdeľovača, ako je tento:

Dostali sme takú krásu 😉 Ak sú odpory a rovnaké, napätie na každom z nich bude 6V (12V / 2). Takže pri absencii signálu na vstupe bude základný potenciál + 6V. Ak na vstup príde záporná hodnota, napríklad -4V, potom bude základný potenciál +2V, to znamená, že hodnota je kladná a nezasahuje do normálnej prevádzky tranzistora. Tu je návod, ako užitočné je vytvoriť posun v základnom reťazci)

Ako inak môžeme zlepšiť našu schému...

Dajte nám vedieť, ktorý signál budeme zosilňovať, to znamená, že poznáme jeho parametre, najmä frekvenciu. Bolo by skvelé, keby na vstupe nebolo nič iné ako užitočný zosilnený signál. Ako to zabezpečiť? Samozrejme, pomocou hornopriepustného filtra) Pridajme kondenzátor, ktorý v kombinácii s predpätím vytvára hornopriepustný filter:

Takto bol obvod, v ktorom nebolo takmer nič, okrem samotného tranzistora, obrastený prídavnými prvkami 😉 Snáď sa tam zastavíme, čoskoro tu bude článok venovaný praktickému výpočtu zosilňovača na báze bipolárky tranzistor. V ňom budeme nielen vyrábať schéma zapojenia zosilňovača, ale aj vypočítať hodnoty všetkých prvkov a zároveň vybrať tranzistor vhodný pre naše účely. Do skorého videnia! =)

Zosilňovač so spoločným emitorom býval základným obvodom všetkých zosilňovacích zariadení.

V minulom článku sme hovorili o najjednoduchšom obvode predpätia tranzistora. Tento obvod (obrázok nižšie) závisí od teploty a tá zase závisí od teploty, čo nie je dobré. V dôsledku toho sa na výstupe obvodu môže objaviť skreslenie zosilneného signálu.

Aby sa tomu zabránilo, do tohto obvodu sa pridá niekoľko ďalších a výsledkom je obvod so 4 odpormi:

Nazvime rezistor medzi bázou a emitorom R byť, a zavolá sa odpor pripojený k emitoru R uh. Teraz, samozrejme, hlavná otázka: "Prečo sú potrebné v okruhu?"

Začnime možno R uh.

Ako si pamätáte, v predchádzajúcej schéme to nebolo. Takže predpokladajme, že pozdĺž reťazca + Upit—-> R do ——> kolektor—> emitor—> R e —-> zem beží elektrický prúd so silou niekoľkých miliampérov (ak neberiete do úvahy malý základný prúd, pretože I e \u003d I k + I b) Zhruba povedané, dostaneme nasledujúci reťazec:

Preto na každom rezistore klesne určité napätie. Jeho hodnota bude závisieť od sily prúdu v obvode, ako aj od hodnoty samotného odporu.

Schéma trochu zjednodušíme:

R ke je odpor prechodu kolektor-emitor. Ako viete, závisí to hlavne od základného prúdu.

V dôsledku toho dostaneme jednoduchý delič napätia, kde

Už to vidíme na vysielači NEBUDE napätie na nulu voltov, ako to bolo v predchádzajúcom obvode. Napätie na emitore sa už bude rovnať poklesu napätia na rezistore R e.

Aký je pokles napätia naprieč R e? Pamätáme si Ohmov zákon a vypočítame:

Ako môžeme vidieť zo vzorca, napätie na emitore sa bude rovnať súčinu prúdu v obvode a hodnote odporu rezistora R e. Zdá sa, že sa to vyriešilo. Prečo to všetko rigmarole, budeme analyzovať trochu nižšie.

Aká je funkcia rezistorov? R b a R byť?

Práve tieto dva odpory sú opäť jednoduchým deličom napätia. Nastavujú určité napätie na základni, ktoré sa zmení, ak iba + Upit, čo je mimoriadne zriedkavé. V ostatných prípadoch bude napätie na základni mŕtve.

Späť k R e.

Ukazuje sa, že v tejto schéme hrá najdôležitejšiu úlohu.

Predpokladajme, že v dôsledku zahrievania tranzistora sa prúd v tomto obvode začne zvyšovať.

Teraz sa pozrime krok za krokom na to, čo sa stane potom.

a) ak sa prúd v tomto obvode zvýši, zvýši sa aj pokles napätia na rezistore R e.

b) pokles napätia na rezistore R e je napätie na emitore Uh. Preto v dôsledku zvýšenia prúdu v obvode Uh dostalo oveľa viac.

c) na základni máme pevné napätie U b, tvorený deličom rezistorov R b a R byť

d) napätie medzi bázou žiariča sa vypočíta podľa vzorca U byť \u003d U b - U e. teda U bae bude menší, pretože Uh zvýšená v dôsledku zvýšenej sily prúdu, ktorá sa zvýšila v dôsledku zahrievania tranzistora.

e) Časy U bae poklesla, teda súčasná sila ja b prechod cez bázu-emitor tiež klesol.

f) Vyvodiť z nižšie uvedeného vzorca ja do

I až \u003d β x I b

Preto pri poklese základného prúdu klesá aj kolektorový prúd ;-) Prevádzkový režim obvodu sa vráti do pôvodného stavu. V dôsledku toho sme dostali obvod s negatívnou spätnou väzbou, v úlohe ktorého pôsobil odpor R uh. Pri pohľade dopredu to poviem O negatívne O bratský S Tie (OOS) stabilizuje obvod, a pozitívny naopak vedie k úplnému chaosu, ale niekedy sa používa aj v elektronike.

Výpočet zosilňovacieho stupňa

1) V prvom rade zistíme z datasheetu maximálny povolený stratový výkon, ktorý dokáže tranzistor sám odviesť do okolia. Pre môj tranzistor je táto hodnota 150 miliwattov. Nevytlačíme všetku šťavu z nášho tranzistora, takže stratu energie znížime vynásobením faktorom 0,8:

P závod \u003d 150x0,8 \u003d 120 miliwattov.

2) Určite napätie naprieč U ke. Malo by to byť polovičné napätie. Upit.

U ke \u003d Upit / 2 \u003d 12/2 \u003d 6 Voltov.

3) Určite kolektorový prúd:

I k \u003d P závod / U ke \u003d 120 × 10 -3 / 6 \u003d 20 miliampérov.

4) Od polovice napätia klesla na kolektor-emitor U ke, potom by mala na odpory pripadnúť ďalšia polovica. V našom prípade cez odpory padá 6 voltov R to a R e. To znamená, že dostaneme:

R až + R e \u003d (Upit / 2) / I až \u003d 6 / 20x10 -3 \u003d 300 Ohm.

R až + R e \u003d 300, a R až \u003d 10R e, ako K U \u003d R to / R e a zobrali sme KU=10 ,

potom vytvoríme malú rovnicu:

10R e + R e \u003d 300

11Re = 300

R e \u003d 300/11 \u003d 27 Ohm

Rk \u003d 27x10 \u003d 270 Ohm

5) Určte základný prúd ja zakladám zo vzorca:

Koeficient beta sme merali v predchádzajúcom príklade. Dostali sme okolo 140.

znamená,

I b \u003d I k / β \u003d 20x10 -3 / 140 \u003d 0,14 miliampéra

6) Prúd deliča napätia I prípady tvorené odpormi R b a R byť, zásadne voľte tak, aby to bolo 10x viac ako je základný prúd ja b:

Prípad \u003d 10Ib \u003d 10x0,14 \u003d 1,4 miliampéra.

7) Nájdite napätie na emitore podľa vzorca:

U e \u003d I až R e \u003d 20x10 -3 x 27 \u003d 0,54 V

8) Určte napätie na základni:

U b \u003d U byť + U uh

Zoberme si priemerný úbytok napätia na základnom emitore U je \u003d 0,66 voltu. Ako si pamätáte, toto je pokles napätia cez P-N prechod.

teda Ub \u003d 0,66 + 0,54 \u003d 1,2 V. Práve toto napätie bude teraz na našej základni.

9) Teraz, keď poznáme napätie na základni (je to 1,2 voltu), môžeme vypočítať hodnotu samotných odporov.

Pre pohodlie výpočtov pripájam časť kaskádového diagramu:

Takže odtiaľto musíme nájsť hodnoty odporu. Zo vzorca Ohmovho zákona vypočítame hodnotu každého rezistora.

Pre pohodlie uveďme pokles napätia R b volal U 1 a pokles napätia naprieč R byť bude U 2.

Pomocou Ohmovho zákona zistíme hodnotu odporu každého rezistora.

Rb \u003d U 1 / I záležitosti \u003d 10,8 / 1,4x10 -3 \u003d 7,7 kiloohmov. Odoberáme z najbližšieho radu 8,2 KiloOhm

R byť \u003d U 2 / I div \u003d 1,2 / 1,4 x 10 -3 \u003d 860 Ohm. Berieme z počtu 820 ohmov.

V dôsledku toho budeme mať na diagrame nasledujúce nominálne hodnoty:

Kontrola fungovania obvodu v hardvéri

Neomrzí vás jedna teória a výpočty, takže schému zostavíme v reálnom živote a overíme v praxi. Dostal som túto schému:

Takže beriem svoje a držím sa vstupu a výstupu obvodu so sondami. Červený tvar vlny je vstupný signál, žltý tvar vlny je zosilnený výstupný signál.

Najprv použijem sínusový signál pomocou môjho čínskeho frekvenčného generátora:

Ako vidíte, signál je podľa očakávania zosilnený takmer 10-krát, keďže náš zisk bol 10. Ako som povedal, zosilnený signál podľa OE schémy je v protifáze, teda posunutý o 180 stupňov.

Dajme ďalší trojuholníkový signál:

Zdá sa, že to bzučí. Ak sa pozriete pozorne, existujú mierne skreslenia. Nelinearita vstupnej charakteristiky tranzistora sa prejavuje.

Ak si spomenieme na oscilogram obvodu s dvoma odpormi

potom môžete vidieť výrazný rozdiel v zosilnení trojuholníkového signálu

Záver

OE obvod počas vrcholu popularity bipolárnych tranzistorov bol používaný ako najpopulárnejší. A na to je vysvetlenie:

Po prvé, tento obvod zosilňuje prúd aj napätie, a teda aj výkon, keďže P=UI.

Po druhé, jeho vstupná impedancia je oveľa vyššia ako jeho výstupná impedancia, vďaka čomu je tento obvod vynikajúcou záťažou s nízkou spotrebou energie a výborným zdrojom signálu pre následné záťaže.

No a teraz pár mínusov:

1) Obvod odoberá malé množstvo prúdu, keď je v pohotovostnom režime. To znamená, že nemá zmysel ho dlhodobo napájať z batérií.

2) v našej dobe mikroelektroniky je už zastaraný. Na zostavenie zosilňovača je jednoduchšie kúpiť si hotový mikroobvod a vyrobiť ho na základe

Tranzistory sa delia na bipolárne a poľné. Každý z týchto typov má svoj vlastný princíp činnosti a dizajnu, majú však spoločnú prítomnosť polovodičových p-n štruktúr.

Konvenčné grafické symboly (UGO) tranzistorov sú uvedené v tabuľke:

Typ nástroja				Podmienené grafické označenie (UGO)
bipolárny	Bipolárny typ p-n-p
	Bipolárny typ n-p-n
lúka	S manažérom p-n križovatka	S p-kanálom
		S n-kanálom
	S izolovaným uzávierka MOS tranzistory	So vstavaným kanál	Vstavaný kanál p-typu
			Vstavaný kanál n-typu
		S vyvolaným kanál	indukovaný kanál p-typu
			indukovaný kanál n-typu

Bipolárne tranzistory

Definícia "bipolárneho" naznačuje, že prevádzka tranzistora je spojená s procesmi, na ktorých sa podieľajú nosiče náboja dvoch typov - elektróny a diery.

Tranzistor je polovodičové zariadenie s dvoma elektrónovými dierovými prechodmi, ktoré je určené na zosilnenie a generovanie elektrických signálov. Tranzistor využíva oba typy nosičov - základné aj nebázické, preto sa nazýva bipolárny.

Bipolárny tranzistor pozostáva z troch oblastí jednokryštálového polovodiča s rôznymi typmi vodivosti: emitor, báza a kolektor.

• E - žiarič,
• B - základňa,
• K - zberateľ,
• EP - prechod emitoru,
• KP - kolektorový prechod,
• W - hrúbka základne.

Každý z tranzistorových prechodov môže byť zapnutý buď v smere dopredu alebo dozadu. V závislosti od toho sa rozlišujú tri režimy činnosti tranzistora:

1. Režim cutoff - oba p-n prechody sú uzavreté, zatiaľ čo cez tranzistor zvyčajne preteká relatívne malý prúd
2. Režim saturácie - oba p-n prechody sú otvorené
3. Aktívny režim - jedna z p-n križovatiek je otvorená a druhá je zatvorená

V režime cutoff a režime saturácie nie je možné ovládať tranzistor. Efektívne riadenie tranzistora sa vykonáva iba v aktívnom režime. Tento režim je hlavný. Ak je napätie priame na prechode emitora a obrátené na prechode kolektora, potom sa tranzistor považuje za normálny, aby sa zapol, a ak je polarita opačná, je inverzná.

V normálnom režime je kolektor p-n prechod uzavretý, emitor je otvorený. Kolektorový prúd je úmerný základnému prúdu.

Pohyb nosičov náboja v tranzistore typu n-p-n je znázornený na obrázku:

Keď je emitor pripojený k zápornej svorke zdroja energie, vzniká emitorový prúd Ie. Pretože externé napätie je aplikované na prechod emitora v priepustnom smere, elektróny prekonajú spojenie a vstúpia do oblasti bázy. Základňa je vyrobená z p-polovodiča, takže elektróny sú pre ňu menšími nosičmi náboja.

Elektróny, ktoré vstupujú do oblasti bázy, sa čiastočne rekombinujú s otvormi v báze. Základňa je však zvyčajne vyrobená z veľmi tenkého p-vodiča s vysokým merným odporom (nízky obsah nečistôt), takže koncentrácia otvorov v základni je nízka a len niekoľko elektrónov, ktoré vstupujú do základne, sa rekombinuje s jej dierami a vytvára základný prúd Ib. Väčšina elektrónov sa v dôsledku tepelného pohybu (difúzie) a pôsobením kolektorového poľa (drift) dostane do kolektora a tvorí zložku kolektorového prúdu Iк.

Spojenie medzi prírastkami prúdu emitora a kolektora je charakterizované koeficientom prenosu prúdu

Ako vyplýva z kvalitatívnej úvahy o procesoch vyskytujúcich sa v bipolárnom tranzistore, koeficient prenosu prúdu je vždy menší ako jedna. Pre moderné bipolárne tranzistory α = 0,9 ÷ 0,95

Pri Ie ≠ 0 je kolektorový prúd tranzistora:

V uvažovanom spínacom obvode je základná elektróda spoločná pre obvody emitoru a kolektora. Takýto obvod na zapínanie bipolárneho tranzistora sa nazýva obvod so spoločnou bázou, zatiaľ čo obvod emitora sa nazýva vstup a obvod kolektora sa nazýva výstup. Takýto obvod na zapínanie bipolárneho tranzistora sa však používa veľmi zriedkavo.

Tri obvody na zapnutie bipolárneho tranzistora

Existuje spínací obvod so spoločnou základňou, spoločným emitorom, spoločným kolektorom. Schémy pre p-n-p tranzistor sú znázornené na obrázkoch a, b, c:

V obvode so spoločnou bázou (obr. a) je základná elektróda spoločná pre vstupný a výstupný obvod, v obvode so spoločným emitorom (obr. b) je emitor spoločný, v obvode so spoločným kolektorom (obr. c), kolektor je spoločný.

Na obrázku je znázornené: E1 - napájanie vstupného obvodu, E2 - napájanie výstupného obvodu, Uin - zdroj zosilneného signálu.

Spínací obvod je prijatý ako hlavný, v ktorom je spoločnou elektródou pre vstupný a výstupný obvod emitor (spínací obvod bipolárneho tranzistora so spoločným emitorom). Pre takýto obvod prechádza vstupný obvod cez spojenie báza-emitor a v ňom sa objavuje základný prúd:

Nízka hodnota základného prúdu vo vstupnom obvode viedla k širokému použitiu obvodu so spoločným emitorom.

Bipolárny tranzistor v obvode so spoločným emitorom (CE).

V tranzistore zapojenom podľa obvodu OE sa vzťah medzi prúdom a napätím vo vstupnom obvode tranzistora Ib \u003d f1 (Ube) nazýva vstupná alebo základná charakteristika prúdového napätia (CVC) tranzistora. Závislosť kolektorového prúdu od napätia medzi kolektorom a emitorom pri pevných hodnotách základného prúdu Ik \u003d f2 (Uke), Ib - const sa nazýva rodina výstupných (kolektorových) charakteristík tranzistora.

Vstupné a výstupné I–V charakteristiky n-p-n bipolárneho tranzistora so stredným výkonom sú znázornené na obrázku:

Ako je zrejmé z obrázku, vstupná charakteristika je prakticky nezávislá od napätia Uke. Výstupné charakteristiky sú od seba približne rovnako vzdialené a takmer priamočiare v širokom rozsahu zmien napätia Uke.

Závislosť Ib \u003d f (Ube) je exponenciálna závislosť charakteristická pre prúd dopredného p-n križovatky. Pretože základný prúd je rekombinácia, jeho hodnota Ib je β-krát menšia ako vstrekovaný emitorový prúd Ie. S nárastom kolektorového napätia Uk sa vstupná charakteristika posúva do oblasti vysokých napätí Ub. Je to spôsobené tým, že v dôsledku modulácie šírky bázy (Earleyov efekt) klesá podiel rekombinačného prúdu v báze bipolárneho tranzistora. Napätie Ube nepresahuje 0,6 ... 0,8 V. Prekročenie tejto hodnoty povedie k prudkému zvýšeniu prúdu pretekajúceho cez otvorený prechod emitora.

Závislosť Ik \u003d f (Uke) ukazuje, že kolektorový prúd je priamo úmerný základnému prúdu: Ik \u003d B Ib

Parametre bipolárneho tranzistora

Znázornenie tranzistora v režime prevádzky s malým signálom pomocou štvorsvorky

V režime prevádzky s nízkym signálom môže byť tranzistor reprezentovaný štvorpólom. Keď sa napätia u1, u2 a prúdy i1, i2 menia sínusovo, vzťah medzi napätiami a prúdmi sa stanoví pomocou parametrov Z, Y, h.

Potenciály 1", 2", 3 sú rovnaké. Tranzistor je vhodne opísaný pomocou h-parametrov.

Elektrický stav tranzistora zapojeného podľa obvodu so spoločným emitorom je charakterizovaný štyrmi hodnotami: Ib, Ube, Ik a Uke. Dve z týchto veličín možno považovať za nezávislé a ostatné dve možno nimi vyjadriť. Z praktických dôvodov je vhodné zvoliť hodnoty Ib a Uke ako nezávislé. Potom Ube = f1 (Ib, Uke) a Ik = f2 (Ib, Uke).

V zosilňovacích zariadeniach sú vstupné signály prírastky vstupných napätí a prúdov. V rámci lineárnej časti charakteristík pre prírastky Ube a Ik platia nasledujúce rovnosti:

Fyzikálny význam parametrov:

Pre obvod s OE sú koeficienty zapísané s indexom E: h11e , h12e , h21e , h22e .

V pasových údajoch uveďte h21e = β, h21b = α. Tieto parametre charakterizujú kvalitu tranzistora. Ak chcete zvýšiť hodnotu h21, musíte buď zmenšiť šírku základne W alebo zväčšiť difúznu dĺžku, čo je dosť ťažké.

Kompozitné tranzistory

Na zvýšenie hodnoty h21 sú bipolárne tranzistory zapojené podľa Darlingtonovho obvodu:

V kompozitnom tranzistore s charakteristikami ako jedna je základňa VT1 pripojená k emitoru VT2 a ΔIe2 = ΔIb1. Kolektory oboch tranzistorov sú spojené a tento výstup je výstupom kompozitného tranzistora. Základňa VT2 hrá úlohu základne kompozitného tranzistora ΔIb \u003d ΔIb2 a emitor VT1 hrá úlohu žiariča kompozitného tranzistora ΔIe \u003d ΔI1.

Získame výraz pre prúdový zisk β pre Darlingtonov obvod. Vyjadrime vzťah medzi zmenou základného prúdu dIb a výslednou zmenou kolektorového prúdu dIk kompozitného tranzistora takto:

Keďže pri bipolárnych tranzistoroch je prúdové zosilnenie zvyčajne niekoľko desiatok (β1, β2 >> 1), celkové zosilnenie kompozitného tranzistora bude určené súčinom zosilnenia každého z tranzistorov βΣ = β1 β2 a môže byť pomerne veľké. v hodnote.

Všimnime si vlastnosti prevádzkového režimu takýchto tranzistorov. Pretože prúd emitora VT2 Ie2 je základným prúdom VT1 dIb1, tranzistor VT2 preto musí pracovať v režime mikrovýkonu a tranzistor VT1 v režime vysokého vstrekovania, ich prúdy emitora sa líšia o 1 až 2 rády. Pri takomto neoptimálnom výbere prevádzkových charakteristík bipolárnych tranzistorov VT1 a VT2 nie je možné dosiahnuť vysoké hodnoty prúdového zosilnenia v každom z nich. Napriek tomu, aj keď hodnoty zosilnenia β1, β2 ≈ 30, celkové zosilnenie βΣ bude βΣ ≈ 1000.

Vysoké hodnoty zosilnenia v kompozitných tranzistoroch sú realizované iba v statickom režime, takže kompozitné tranzistory sú široko používané vo vstupných stupňoch operačných zosilňovačov. V obvodoch na vysokých frekvenciách už kompozitné tranzistory také výhody nemajú, naopak, medzná frekvencia zosilnenia prúdu aj rýchlosť kompozitných tranzistorov sú menšie ako rovnaké parametre pre každý z tranzistorov VT1, VT2 samostatne.

Frekvenčné vlastnosti bipolárnych tranzistorov

Proces šírenia minoritných nosičov náboja vstreknutých do bázy z emitora do kolektorového prechodu prebieha difúziou. Tento proces je dosť pomalý a nosiče vstrekované z žiariča sa dostanú do kolektora najskôr počas difúzie nosiča cez základňu. Takéto oneskorenie povedie k fázovému posunu medzi prúdom Ie a prúdom Ik. Pri nízkych frekvenciách sa fázy prúdov Ie, Ik a Ib zhodujú.

Frekvencia vstupného signálu, pri ktorej modul zosilnenia klesá o faktor 0 v porovnaní so statickou hodnotou β0, sa v obvode so spoločným emitorom nazýva medzná frekvencia zosilnenia prúdu bipolárneho tranzistora.

Fβ - limitná frekvencia (medzná frekvencia)
fgr - medzná frekvencia (frekvencia zosilnenia jednotky)

FET

Poľné alebo unipolárne tranzistory využívajú ako hlavný fyzikálny princíp efekt poľa. Na rozdiel od bipolárnych tranzistorov, v ktorých sú za tranzistorový efekt zodpovedné oba typy nosičov, primárne aj neprimárne, v tranzistoroch s efektom poľa sa na realizáciu tranzistorového efektu používa iba jeden typ nosiča. Z tohto dôvodu sa tranzistory s efektom poľa nazývajú unipolárne. Podľa podmienok pre realizáciu efektu poľa sa tranzistory s efektom poľa delia do dvoch tried: tranzistory s efektom poľa s izolovaným hradlom a tranzistory s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom.

Tranzistory s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom

Schematicky možno tranzistor s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom znázorniť ako dosku, na ktorej konce sú pripojené elektródy, zdroj a zvod. Na obr. ukazuje štruktúru a spínací obvod tranzistora s efektom poľa s kanálom typu n:

V n-kanálovom tranzistore sú hlavnými nosičmi náboja v kanáli elektróny, ktoré sa pohybujú pozdĺž kanála zo zdroja s nízkym potenciálom do odtoku s vyšším potenciálom, pričom tvoria odtokový prúd Ic. Medzi bránou a zdrojom je aplikované napätie, ktoré blokuje p-n prechod vytvorený n-oblasťou kanála a p-oblasťou hradla.

Keď sa na p-n prechod Uzi aplikuje blokovacie napätie, na hraniciach kanálov sa objaví rovnomerná vrstva, ktorá je ochudobnená o nosiče náboja a má vysoký odpor. To vedie k zníženiu vodivej šírky kanála.

Zmenou hodnoty tohto napätia je možné zmeniť prierez kanála a následne zmeniť hodnotu elektrického odporu kanála. Pre n-kanálový tranzistor s efektom poľa je potenciál odberu kladný vzhľadom na potenciál zdroja. Keď je brána uzemnená, prúd tečie z odtoku do zdroja. Preto na zastavenie prúdu musí byť na bránu privedené spätné napätie niekoľkých voltov.

Hodnota napätia Uzi, pri ktorej sa prúd kanálom stáva takmer nulovým, sa nazýva medzné napätie Uzap

Tranzistor s efektom poľa s hradlom p-n-prechodu je teda odpor, ktorého hodnota je regulovaná vonkajším napätím.

Tranzistor s efektom poľa je charakterizovaný nasledujúcim CVC:

Závislosti kolektorového prúdu Ic od napätia pri konštantnom hradlovom napätí Uzi tu určujú výstupné alebo kolektorové charakteristiky tranzistora s efektom poľa. V úvodnej časti charakteristiky 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.

Na CVC Ic \u003d f (Uzi) sa zobrazuje napätie Uzap. Pretože Uzi ≤ 0, prechod p-n je uzavretý a prúd brány je veľmi malý, približne 10 -8 ... 10-9 A preto medzi hlavné výhody tranzistora s efektom poľa v porovnaní s bipolárnym patrí vysoký vstupný odpor, rádovo 10 10…1013 ohmov. Okrem toho sa vyznačujú nízkou hlučnosťou a spracovateľnosťou.

V praxi existujú dve hlavné schémy prepínania. Schéma so spoločným zdrojom (obr. a) a schéma so spoločným odtokom (obr. b), ktoré sú znázornené na obrázku:

Izolované tranzistory s efektom hradlového poľa
(MIS tranzistory)

Termín "MIS tranzistor" sa používa na označenie tranzistorov riadených poľom, v ktorých je riadiaca elektróda - brána - oddelená od aktívnej oblasti tranzistora riadeného poľom dielektrickou vrstvou - izolátorom. Hlavným prvkom týchto tranzistorov je kovovo-dielektricko-polovodičová (M-D-P) štruktúra.

Tranzistorová technológia MIS s integrovaným hradlom je znázornená na obrázku:

Pôvodný polovodič, na ktorom je MIS tranzistor vyrobený, sa nazýva substrát (svorka P). Dve silne dotované n+ oblasti sa nazývajú zdroj (I) a odtok (C). Oblasť substrátu pod bránou (3) sa nazýva vstavaný kanál (n-kanál).

Fyzikálnym základom pre činnosť tranzistora s efektom poľa s kovovo-dielektricko-polovodičovou štruktúrou je efekt poľa. Efekt poľa spočíva v tom, že vplyvom vonkajšieho elektrického poľa sa mení koncentrácia voľných nosičov náboja v oblasti blízkeho povrchu polovodiča. V poľných zariadeniach so štruktúrou MIS je vonkajšie pole určené napätím aplikovaným na elektródu s kovovou bránou. V závislosti od znamienka a veľkosti použitého napätia môžu nastať dva stavy oblasti priestorového náboja (SCR) v kanáli - obohatenie, vyčerpanie.

Režim vyčerpania zodpovedá zápornému napätiu Uz, pri ktorom koncentrácia elektrónov v kanáli klesá, čo vedie k zníženiu odtokového prúdu. Režim obohatenia zodpovedá kladnému napätiu Uzi a zvýšeniu odtokového prúdu.

VAC je znázornený na obrázku:

Topológia tranzistora MIS s indukovaným (indukovaným) kanálom typu p je znázornená na obrázku:

Keď Uzi = 0, kanál chýba a Ic = 0. Tranzistor môže pracovať iba v režime obohatenia 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 .

VAC je znázornený na obrázku:

V tranzistoroch MIS je hradlo oddelené od polovodiča vrstvou oxidu SiO2. Preto je vstupný odpor takýchto tranzistorov asi 1013 ... 1015 ohmov.

Hlavné parametre tranzistorov s efektom poľa sú:

• Strmosť charakteristiky pri Usp = konšt., Upi = konšt. Typické hodnoty parametrov (0,1...500) mA/V;
• Strmosť charakteristiky pozdĺž substrátu pri Usp = konšt., Uzi = konšt. Typické hodnoty parametrov (0,1...1) mA/V;
• Počiatočný odber prúdu Ic.nach. – odberový prúd pri nulovej hodnote napätia Uzi. Typické hodnoty parametrov: (0,2...600) mA - pre tranzistory s riadiacim kanálom p-n prechodom; (0,1...100) mA - pre tranzistory so vstavaným kanálom; (0,01 ... 0,5) μA - pre tranzistory s indukovaným kanálom;
• Medzné napätie Uzi.ts. . Typické hodnoty (0,2...10) V; prahové napätie Up . Typické hodnoty (1...6) V;
• Odpor medzi odtokom do zdroja v otvorenom stave. Typické hodnoty (2..300) Ohm
• Diferenciálny odpor (vnútorný): pri Uzi = konšt.
• Štatistický zisk: μ = S ri

Tyristory

Tyristor je polovodičové zariadenie s tromi alebo viacerými elektrónovými dierovými p-n prechodmi. Používajú sa hlavne ako elektronické kľúče. Podľa počtu vonkajších zvodov sa delia na tyristory s dvomi vonkajšími zvodmi - dinistormi a tyristory s tromi zvodmi - trinistormi. Na označenie tyristorov sa používa písmeno VS.

Zariadenie a princíp činnosti dinistora

Štruktúra, UGO a CVC dinistora sú znázornené na obrázku:



Vonkajšia p-oblasť sa nazýva anóda (A), vonkajšia n-oblasť sa nazýva katóda (K). Tri p-n prechody sú označené číslami 1, 2, 3. Štruktúra dinistora je 4-vrstvová - p-n-p-n.

Napájacie napätie E sa privádza na dinistor tak, že 1 z 3 prechodov je otvorený a ich odpory sú nevýznamné a prechod 2 je uzavretý a je naň privedené celé napájacie napätie Upr. Cez dinistor preteká malý spätný prúd, záťaž R je odpojená od napájacieho prúdu E.

Po dosiahnutí kritického napätia rovného zapínaciemu napätiu Uon sa otvorí prechod 2, pričom všetky tri prechody 1, 2, 3 budú v rozpojenom (zapnutom) stave. Odpor dinistora klesne na desatiny ohmu.

Zapínacie napätie je niekoľko stoviek voltov. Dinistor sa otvorí a pretekajú ním významné prúdy. Pokles napätia na dinistore v otvorenom stave je 1-2 volty a málo závisí od množstva pretekajúceho prúdu, ktorého hodnota je τa ≈ E / R, a UR ≈ E, t.j. záťaž je pripojená k zdroju E. Napätie na dinistore, zodpovedajúce maximálnemu prípustnému bodu Iopen.max, sa nazýva napätie v otvorenom stave Uokr. Maximálny povolený prúd sa pohybuje od stoviek mA do stoviek A. Dinistor je v otvorenom stave, kým ním pretekajúci prúd nebude menší ako prídržný prúd Iud. Dinistor sa zatvára pri poklese vonkajšieho napätia na hodnotu rádovo 1V alebo pri prepólovaní externého zdroja. Preto sa takéto zariadenie používa v obvodoch s prechodným prúdom. Body C a D zodpovedajú medzným hodnotám prúdov a napätí dinistora. Doba zotavenia prechodového odporu 2 po odstránení napájacieho napätia je asi 10-30 μs.

Dinistory sú svojím princípom kľúčovými akčnými zariadeniami. V zapnutom stave (sekcia BV) je to podobné ako zatvorený kľúč a vo vypnutom stave (sekcia EG) je to ako otvorený kľúč.

Zariadenie a princíp činnosti tyristora (trinistor)

Trinistor je riadené zariadenie. Obsahuje riadiacu elektródu (GE) spojenú s polovodičom typu p alebo polovodičom typu n stredného prechodu 2.

Štruktúra, UGO a CVC trinistora (bežne nazývaného tyristor) sú znázornené na obrázku:



Napätie Uoff, pri ktorom začína lavínovitý nárast prúdu, možno znížiť zavedením menších nosičov náboja do ktorejkoľvek z vrstiev susediacich s prechodom 2. Do akej miery Uon klesá, je znázornené v CVC. Dôležitým parametrom je odblokovací riadiaci prúd Iу.ot, ktorý zabezpečuje prepnutie tyristora do otvoreného stavu pri napätiach nižších ako je napätie Uon. Obrázok ukazuje tri hodnoty pre zapínacie napätie UI on< Un вкл < Um вкл соответствует трем значениям управляющего тока UI у.от >Un u.ot > Um u.ot .

Zvážte najjednoduchší obvod s tyristorom zaťaženým odporom Rн






• Ia je anódový prúd (výkonový prúd v obvode anóda-katóda tyristora);
• Uak je napätie medzi anódou a katódou;
• Iy je prúd riadiacej elektródy (v reálnych obvodoch sa používajú prúdové impulzy);
• Uuk je napätie medzi riadiacou elektródou a katódou;
• Upit - napájacie napätie.

Na prechod tyristora do otvoreného stavu je z obvodu vytvárania impulzov privádzaná neriadiaca elektróda na krátkodobý (rádovo niekoľko mikrosekúnd) riadiaci impulz.

Charakteristickým rysom uvažovaného neuzamykateľného tyristora, ktorý je v praxi veľmi rozšírený, je, že sa nedá vypnúť pomocou riadiaceho prúdu.

Na vypnutie tyristora v praxi sa naň aplikuje spätné napätie Uak< 0 и поддерживают это напряжение в течении времени, большего так называемого времени выключения tвыкл . Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд.

Zariadenie a princíp činnosti triaku

Široko používané sú takzvané symetrické tyristory (triaky, triaky). Každý triak je podobný dvojici uvažovaných tyristorov, ktoré sú zapojené antiparalelne. Symetrické trinistory sú riadené zariadenie so symetrickou prúdovo-napäťovou charakteristikou. Na získanie symetrickej charakteristiky sa používajú obojstranné polovodičové štruktúry typu p-n-p-n-p.

Štruktúra triaku, jeho UGO a CVC sú znázornené na obrázku:



Triak (triak) obsahuje dva tyristory p1-n1-p2-n2 a p2-n2-p1-n4 zapojené antiparalelne. Triak obsahuje 5 prechodov P1-P2-P3-P4-P5. Pri absencii riadiaceho elektrónu sa triak RE nazýva diak.

Pri kladnej polarite na elektróde E1 sa tyristorový efekt uskutočňuje v p1-n1-p2-n2 a s opačnou polaritou v p2-n1-p1-n4.

Keď je na RE privedené riadiace napätie, v závislosti od jeho polarity a hodnoty sa mení spínacie napätie Uon

Tyristory (dinistory, trinistory, triaky) sú hlavnými prvkami v zariadeniach výkonovej elektroniky. Existujú tyristory, pre ktoré je spínacie napätie väčšie ako 1 kV a maximálny povolený prúd je väčší ako 1 kA

Elektronické kľúče

Na zvýšenie účinnosti zariadení výkonovej elektroniky sa široko používa pulzná prevádzka diód, tranzistorov a tyristorov. Impulzný režim sa vyznačuje prudkými zmenami prúdov a napätí. V pulznom režime sa ako spínače používajú diódy, tranzistory a tyristory.

Pomocou elektronických kľúčov sa spínanie elektronických obvodov vykonáva: zapojenie / odpojenie obvodu do / zo zdrojov (zdrojov) elektrickej energie alebo signálu, zapojenie alebo odpojenie prvkov obvodu, zmena parametrov prvkov obvodu, zmena typu pôsobiaceho zdroja signálu.

Ideálne kľúče UGO sú znázornené na obrázku:

Klávesy fungujúce na zatváranie a otváranie, resp.




Režim kľúča je charakterizovaný dvoma stavmi: "zapnuté"/"vypnuté".

Ideálne spínače sa vyznačujú okamžitou zmenou odporu, ktorá môže nadobudnúť hodnotu 0 alebo ∞. Pokles napätia na ideálnom uzavretom spínači je 0. Pri otvorenom spínači je prúd 0.

Skutočné kľúče sa tiež vyznačujú dvoma extrémnymi hodnotami odporu Rmax a Rmin. Prechod z jednej hodnoty odporu na druhú v reálnych kľúčoch nastáva v konečnom čase. Pokles napätia na skutočnom uzavretom kľúči sa nerovná nule.

Klávesy sa delia na klávesy používané v obvodoch s nízkym výkonom a klávesy používané v obvodoch napájania. Každá z týchto tried má svoje vlastné charakteristiky.

Kľúče používané v obvodoch s nízkym výkonom sa vyznačujú:

1. Odpory kľúča v otvorenom a zatvorenom stave;
2. Výkon – čas potrebný na prechod kľúča z jedného stavu do druhého;
3. Pokles napätia na zatvorenom kľúči a zvodový prúd otvoreného kľúča;
4. Odolnosť proti hluku - schopnosť kľúča zostať v jednom zo stavov pri vystavení rušeniu;
5. Citlivosť kľúča - hodnota riadiaceho signálu, ktorý prenáša kľúč z jedného stavu do druhého;
6. Prahové napätie - hodnota riadiaceho napätia, v blízkosti ktorého dochádza k prudkej zmene odporu elektronického kľúča.

Diódové elektronické kľúče

Najjednoduchším typom elektronických spínačov sú diódové spínače. Schéma diódového spínača, statická prenosová charakteristika, prúdovo-napäťová charakteristika a závislosť rozdielového odporu od napätia na dióde sú znázornené na obrázku:

Princíp činnosti diódového elektronického spínača je založený na zmene hodnoty rozdielového odporu polovodičovej diódy v blízkosti prahového napätia na dióde Upor. Na obrázku "c" je znázornená prúdovo-napäťová charakteristika polovodičovej diódy, ktorá ukazuje hodnotu Upor. Táto hodnota je v priesečníku osi napätia s dotyčnicou vedenou k vzostupnému členu prúdovo-napäťovej charakteristiky.

Obrázok "d" ukazuje závislosť rozdielového odporu od napätia na dióde. Z obrázku vyplýva, že v blízkosti prahového napätia 0,3 V dochádza k prudkej zmene diferenciálneho odporu diódy s extrémnymi hodnotami 900 a 35 Ω (Rmin = 35 Ω, Rmax = 900 Ω) .

V stave "zapnuté" je dióda otvorená a , Uout ≈ Uin .

Vo vypnutom stave je dióda zatvorená a , Uout ≈ Uin Rn / Rmax<

Aby sa skrátila doba spínania, používajú sa diódy s nízkou prechodovou kapacitou rádovo 0,5-2 pF, pričom poskytujú dobu vypnutia rádovo 0,5-0,05 μs.

Diódové spínače neumožňujú elektrické oddelenie riadiaceho a riadeného obvodu, čo je v praktických obvodoch často požadované.

Tranzistorové kľúče

Väčšina obvodov používaných v počítačoch, diaľkovom ovládaní, automatických riadiacich systémoch atď. je založená na tranzistorových spínačoch.

Kľúčové schémy bipolárneho tranzistora a charakteristiky I–V sú znázornené na obrázku:

Prvý stav "vypnutý" (tranzistor uzavretý) je určený bodom A1 na výstupnej charakteristike tranzistora; nazýva sa to režim cutoff. V režime odpojenia sa základný prúd Ib \u003d 0, kolektorový prúd Ik1 rovná počiatočnému kolektorovému prúdu a kolektorové napätie Uk \u003d Uk1 ≈ Ek. Režim cutoff je implementovaný pri Uin = 0 alebo pri záporných základných potenciáloch. V tomto stave odpor spínača dosiahne svoju maximálnu hodnotu: Rmax = , kde RT je odpor tranzistora v zopnutom stave, viac ako 1 MΩ.

Druhý „zapnutý“ stav (tranzistor otvorený) je určený bodom A2 na charakteristike I–V a nazýva sa režim saturácie. Z režimu cutoff (A1) do režimu saturácie (A2) je tranzistor prenášaný kladným vstupným napätím Uin. V tomto prípade napätie Uout nadobúda minimálnu hodnotu Uk2 = Uk.e.us rádovo 0,2-1,0 V, kolektorový prúd Ik2 = Ik.us ≈ Ek / Rk. Základný prúd v režime nasýtenia sa určí z podmienky: Ib > Ib.nas = Ik.nas / h21.

Vstupné napätie potrebné na prechod tranzistora do otvoreného stavu je určené z podmienky: U v > Ib.nas Rb + Uk.e.nas

Dobrá odolnosť proti šumu a nízky výkon rozptýlený v tranzistore sa vysvetľuje skutočnosťou, že tranzistor je väčšinu času buď nasýtený (A2) alebo uzavretý (A1) a čas prechodu z jedného stavu do druhého je malá časť trvania. týchto štátov. Čas spínania kľúčov na bipolárnych tranzistoroch je určený bariérovými kapacitami p-n prechodov a procesmi akumulácie a resorpcie malých nosičov náboja v báze.

Na zvýšenie rýchlosti a vstupného odporu sa používajú tranzistorové kľúče s efektom poľa.

Spínacie obvody na tranzistoroch s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom a s indukovaným kanálom so spoločným zdrojom a spoločným kolektorom sú znázornené na obrázku:

Pre ľubovoľný kľúč na tranzistore s efektom poľa Rn > 10-100 kOhm.

Riadiaci signál Uin na hradle je asi 10-15 V. Odpor tranzistora s efektom poľa v uzavretom stave je vysoký, asi 108 -109 Ohm.

Odpor tranzistora s efektom poľa v otvorenom stave môže byť 7-30 ohmov. Odpor tranzistora s efektom poľa v riadiacom obvode môže byť 108 -109 ohmov. (schémy "a" a "b") a 1012 -1014 Ohm (schémy "c" a "d").

Výkonové (výkonné) polovodičové zariadenia

Výkonové polovodičové súčiastky sa používajú vo výkonovej elektronike, najintenzívnejšie sa rozvíjajúcej a perspektívnej oblasti techniky. Sú určené na riadenie prúdov desiatok, stoviek ampérov, napätí desiatok, stoviek voltov.

Výkonné polovodičové zariadenia zahŕňajú tyristory (dinistory, trinistory, triaky), tranzistory (bipolárne a s efektom poľa) a staticky indukované bipolárne tranzistory (IGBT). Používajú sa ako elektronické kľúče, ktoré vykonávajú spínanie elektronických obvodov. Ich vlastnosti sa snažia priblížiť charakteristikám ideálnych kláves.

Podľa princípu činnosti, charakteristík a parametrov sú výkonné tranzistory podobné nízkoenergetickým, existujú však určité vlastnosti.

Výkonové FET

V súčasnosti je tranzistor s efektom poľa jedným z najsľubnejších výkonových zariadení. Najpoužívanejšie tranzistory sú izolované hradlo a indukovaný kanál. Ak chcete znížiť odpor kanála, znížte jeho dĺžku. Na zvýšenie odtokového prúdu v tranzistore sa vyrábajú stovky a tisíce kanálov a kanály sú zapojené paralelne. Pravdepodobnosť samoohrevu tranzistora s efektom poľa je malá, pretože odpor kanála sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou.

Tranzistory s efektom výkonového poľa majú vertikálnu štruktúru. Kanály môžu byť umiestnené vertikálne aj horizontálne.

DMDP tranzistor

Tento tranzistor MIS s dvojitou difúziou má horizontálny kanál. Obrázok ukazuje prvok štruktúry obsahujúci kanál.

VMOS tranzistor

Tento MIS tranzistor v tvare V má vertikálny kanál. Obrázok ukazuje jeden konštrukčný prvok obsahujúci dva kanály.

Je ľahké vidieť, že štruktúry tranzistora VMOS a tranzistora DMOS sú podobné.

IGBT tranzistor

IGBT je hybridné polovodičové zariadenie. Kombinuje dva spôsoby riadenia elektrického prúdu, z ktorých jeden je typický pre tranzistory s efektom poľa (riadenie elektrického poľa) a druhý pre bipolárne (riadenie vstrekovania nosičov elektriny).

Zvyčajne IGBT používa štruktúru tranzistora typu n s indukovaným kanálom MOS. Štruktúra tohto tranzistora sa líši od štruktúry tranzistora DMOS dodatočnou polovodičovou vrstvou typu p.

Venujme pozornosť skutočnosti, že na označenie IGBT elektród je zvykom používať výrazy „emitor“, „kolektor“ a „brána“.

Pridanie vrstvy typu p vedie k vytvoreniu druhej bipolárnej tranzistorovej štruktúry (typ p-n-p). V IGBT teda existujú dve bipolárne štruktúry – typ n-p-n a typ p-n-p.

Vypínací obvod UGO a IGBT sú znázornené na obrázku:

Typický pohľad na výstupné charakteristiky je znázornený na obrázku:

SIT tranzistor

SIT - tranzistor s efektom poľa s riadiacim p-n prechodom so statickou indukciou. Je viackanálový a má vertikálnu štruktúru. Schematické znázornenie SIT a spínacieho obvodu so spoločným zdrojom sú znázornené na obrázku:

Oblasti polovodiča typu p sú vo forme valcov, ktorých priemer je niekoľko mikrometrov alebo viac. Tento systém valcov hrá úlohu uzávierky. Každý valec je pripojený k hradlovej elektróde (elektróda hradla nie je bežne znázornená na obrázku "a").

Bodkovaná čiara označuje oblasti p-n križovatiek. Skutočný počet kanálov môže byť v tisícoch. Typicky sa SIT používa v bežných zdrojových obvodoch.

Každé z uvažovaných zariadení má svoju vlastnú oblasť použitia. Tyristorové spínače sa používajú v zariadeniach pracujúcich pri nízkych frekvenciách (kHz a nižšie). Hlavnou nevýhodou takýchto kľúčov je nízky výkon.

Hlavnou oblasťou použitia tyristorov sú nízkofrekvenčné zariadenia s vysokým spínacím výkonom až niekoľko megawattov, ktoré nekladú vážne nároky na rýchlosť.

Výkonné bipolárne tranzistory sa používajú ako vysokonapäťové spínače v zariadeniach so spínacou alebo konverznou frekvenciou v rozsahu 10-100 kHz, s úrovňou výstupného výkonu od niekoľkých W do niekoľkých kW. Optimálny rozsah spínaných napätí je 200-2000 V.

Tranzistory s efektom poľa (MOSFET) sa používajú ako elektronické spínače na spínanie nízkonapäťových vysokofrekvenčných zariadení. Optimálne hodnoty spínaných napätí nepresahujú 200 V (maximálna hodnota je do 1000 V), pričom frekvencia spínania sa môže pohybovať od jednotiek kHz do 105 kHz. Rozsah spínacích prúdov je 1,5-100 A. Pozitívnou vlastnosťou tohto zariadenia je regulovateľnosť napätia, nie prúdu a menšia závislosť od teploty v porovnaní s inými zariadeniami.

Bipolárne tranzistory s izolovaným hradlom (IGBT) sa používajú pri frekvenciách pod 20 kHz (niektoré typy zariadení sa používajú pri frekvenciách nad 100 kHz) so spínacími výkonmi nad 1 kW. Spínané napätia nie sú nižšie ako 300-400 V. Optimálne hodnoty spínaných napätí sú nad 2000 V. IGBT a MOSFET vyžadujú na úplné zapnutie napätie nie vyššie ako 12-15 V, na zatvorenie zariadení nie je potrebné záporné napätie . Vyznačujú sa vysokou rýchlosťou spínania.

Obvod na zapnutie bipolárneho tranzistora so spoločným emitorom je na obr. 6.13:

V tranzistore zapojenom podľa obvodu so spoločným emitorom dochádza k zosilneniu nielen napätia, ale aj prúdu. Vstupnými parametrami pre obvod so spoločným emitorom bude základný prúd ja B a napätie na báze vzhľadom na emitor U BE a výstupnými charakteristikami bude kolektorový prúd ja Komu a kolektorové napätie U EC. Pre akékoľvek napätie:

Charakteristickým znakom prevádzkového režimu s OE je rovnaká polarita predpätia na vstupe (základňa) a výstupe (kolektor): záporný potenciál v prípade pnp-tranzistorový a kladný v prípade npn-tranzistor. V tomto prípade je prechod báza-emitor posunutý v smere dopredu a prechod báza-kolektor je posunutý v opačnom smere.

Skôr, keď sa analyzoval bipolárny tranzistor v spoločnom základnom obvode, vzťah medzi kolektorovým prúdom a prúdom emitora sa získal v tejto forme:
. V obvode so spoločným emitorom pre pnp-tranzistor (podľa prvého Kirchhoffovho zákona) (6.1):
, odtiaľto dostaneme:

Koeficient α/(1-α) volal prúdové zosilnenie bipolárneho tranzistora v obvode so spoločným emitorom . Tento koeficient označujeme znamienkom β , takže:

Súčiniteľ prenosu prúdu pre tranzistor so spoločným emitorom β ukazuje, koľkokrát sa kolektorový prúd zmení ja K pri zmene základného prúdu ja B. Keďže hodnota prevodného koeficientu α blízko k jednote ( α <1), то из уравнения (6.38) следует, что коэффициент усиления β bude výrazne väčšia ako jednota β >>1). S hodnotami koeficientu prenosu α \u003d Faktor zosilnenia základného prúdu 0,98 ÷ 0,99 bude ležať v rozsahu β = 50÷100.

6.2.1 Statická prúdovo-napäťová charakteristika tranzistora zapojeného do obvodu so spoločným emitorom

Zvážte kód CVC pnp-tranzistor v režime OE (obr. 6.13, 6.14).

o U EC =0
. So zvyšujúcim sa napätím U BE koncentrácia na EB križovatke sa zvyšuje (obr. 6.15, a), zvyšuje sa koncentračný gradient injektovaných otvorov, difúzny prúd otvorov, ako pri doprednom predpätí pn-prechod, rastie exponenciálne (t. A) a líši sa od prúdu emitora len v mierke (6,36) .

S reverzným napätím na kolektore a pevným napätím na EP | U BE| (obr. 6.15, b) koncentrácia otvorov v základni v blízkosti žiariča bude tiež konštantná. Zvyšujúce sa napätie U EC bude sprevádzané rozšírením SCR prechodu kolektora a zmenšením šírky základne (Earleyho efekt) a následne znížením celkového počtu otvorov v základni.

V tomto prípade sa koncentračný gradient otvorov v základni zvýši, čo vedie k ďalšiemu zníženiu ich koncentrácie. Preto počet rekombinácií elektrónov a dier v báze za jednotku času klesá (zvyšuje sa koeficient prenosu ). Pretože elektróny na rekombináciu prichádzajú cez základný terminál, prúd základne klesá a vstupné I–V charakteristiky sú posunuté nadol.

o U BE=0 a záporné napätie kolektora ( U kb << 0) prúd cez prechod emitoru je nulový, v báze tranzistora je koncentrácia dier menšia ako rovnovážna, pretože pre CP je táto koncentrácia nulová a pre EP je jej hodnota určená rovnovážnou hodnotou. Prúd otvorov extrahovaných z kolektora preteká cez spoj kolektora ja EC 0 .

V základni, ako v pn-prechod s reverzným sklonom, proces generovania tepla bude prevládať nad procesom rekombinácie. Generované elektróny opúšťajú bázu cez svorku bázy, čo znamená, že do bázy tranzistora smeruje elektrický prúd (str. B). Toto je režim odrezať, je charakterizovaná zmenou smeru základného prúdu.

Výstup VAC.

AT aktívny režim (| U EC |> |U BE |>0 ) tok otvorov vstreknutý žiaričom  p sa odoberá zberným uzlom rovnako ako v režime OB, s koeficientom
. Časť otvorov (1-α) p rekombinuje na báze s elektrónmi pochádzajúcimi z ohmického kontaktu bázy.

Keď sa základný prúd zvyšuje, záporný elektrónový náboj znižuje potenciálnu bariéru prechodu emitora, čo spôsobuje ďalšie vstrekovanie otvorov v základni.

Poďme analyzovať, prečo malé zmeny v základnom prúde ja B spôsobiť výrazné zmeny v kolektorovom prúde ja K. Hodnota koeficientu β , výrazne väčší ako jednota, znamená, že koeficient prestupu α blízko k jednote. V tomto prípade je kolektorový prúd blízko prúdu emitoru a základný prúd (rekombinácia podľa fyzikálnej povahy) je oveľa menší ako kolektorový aj emitorový prúd. S hodnotou koeficientu α = 0,99 zo 100 otvorov vstreknutých cez prechod emitoru, 99 sa extrahuje cez prechod kolektora a iba jeden sa rekombinuje s elektrónmi v báze a prispeje k prúdu bázy.

Zdvojnásobenie základného prúdu (dva otvory by sa mali rekombinovať) spôsobí dvojnásobné vstrekovanie cez spoj emitoru (treba vstreknúť 200 otvorov) a podľa toho aj extrakciu cez spoj kolektora (treba vytiahnuť 198 otvorov). Malá zmena základného prúdu, napríklad z 5 na 10 µA, teda spôsobuje veľké zmeny v kolektorovom prúde, respektíve od 500 µA do 1000 µA. Základný prúd spôsobuje zvýšenie kolektorového prúdu o faktor 100.

Analogicky s (6.34) môžeme napísať:

Vzhľadom na (6.1):
, dostaneme:

Vzhľadom na to

kde je prechodový tepelný prúd jedného kolektora pn- prechod v režime oddelenej základne (s
, t. C, režim odrezať). V dôsledku predpätia prechodu bázy (obr. 6.16) prúd
oveľa viac ako kolektorový tepelný prúd ja do 0 .

V režime nasýtenia základ musí byť obohatený o drobné nosiče. Kritériom pre tento režim je rovnovážna koncentrácia nosičov na CS ( U KB =0 ). Na základe rovnice U EC = U KB + U BE, rovnosť napätia na kolektorovom prechode k nule môže nastať pri malých záporných napätiach medzi bázou a emitorom. o U EC 0 a U BE <0, оба перехода смещаются в прямом направлении, их сопротивление падает. При малых напряжениях на коллекторе (U EC < U BE) U KB zmení svoje znamienko, odpor prechodu kolektora prudko klesá, kolektor začne injektovať otvory do základne. Prietok otvorov z kolektora kompenzuje prietok otvorov z žiariča. Kolektorový prúd mení svoje znamienko (táto oblasť zvyčajne nie je znázornená na výstupnej IV charakteristike).

Pri vysokých napätiach na kolektore je možný rozpad prechodu kolektora v dôsledku lavínového znásobenia nosičov v SCR (bod D). Prierazné napätie závisí od stupňa dotovania tranzistorových oblastí. Pri tranzistoroch s veľmi tenkou základňou je možné rozšíriť SCR po celej oblasti základne (základňa je prepichnutá).

Pri porovnaní výstupných I–V charakteristík tranzistora zapojeného podľa obvodu s OE a OB (obr. 6.17) možno vidieť dve najvýznamnejšie vlastnosti: po prvé, charakteristiky v obvode s OE majú väčší sklon, čo naznačuje pokles vo výstupnom odpore tranzistora a po druhé, prechod do režimu saturácie sa pozoruje pri záporných kolektorových napätiach.

Nárast kolektorového prúdu so zvyšujúcim sa U EC určená zmenšením šírky základne. Prevodové koeficienty æ a prenos prúdu emitorom α zvýšenie, ale základný koeficient prenosu prúdu v obvode s OE
rastie rýchlejšie α . Preto sa pri konštantnom základnom prúde kolektorový prúd zvyšuje viac ako v obvode OB.

6.3 Zapnutie tranzistora podľa spoločného kolektorového obvodu

Ak majú vstupné a výstupné obvody spoločnú kolektorovú elektródu (OK) a výstupný prúd je prúd emitora a vstupný prúd je základný, potom pre koeficient prenosu prúdu platí:

Pri takomto zahrnutí je koeficient prenosu prúdu o niečo vyšší ako pri zahrnutí OE a zosilnenie napätia je o niečo menšie ako jednota, pretože potenciálny rozdiel medzi základňou a žiaričom je prakticky nezávislý od základného prúdu. Potenciál emitoru prakticky opakuje potenciál bázy, preto je kaskáda postavená na báze tranzistora s OK tzv. sledovač vysielača. Tento typ inklúzie sa však používa pomerne zriedkavo.

Porovnaním získaných výsledkov je možné zistenia :

OE obvod má vysoké zosilnenie napätia aj prúdu.Má najvyššie zosilnenie výkonu. Všimnite si, že obvod zmení fázu výstupného napätia o 180. Toto je najbežnejší zosilňovací obvod.

Obvod OB zosilňuje napätie (podobne ako obvod OE), ale nezosilňuje prúd. Fáza výstupného napätia vzhľadom na vstup sa nemení. Obvod nachádza uplatnenie v zosilňovačoch vysokých a mikrovlnných frekvencií.

Obvod s OK (emitorový sledovač) nezosilňuje napätie, ale zosilňuje prúd. Hlavnou aplikáciou tohto obvodu je prispôsobenie odporov zdroja signálu a záťaže s nízkym odporom.