Конспект лекцій з навчальної дисципліни «електротехніка І електроніка» для студентів спеціальності



Сторінка8/11
Дата конвертації27.01.2017
Розмір2.07 Mb.
ТипКонспект
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
Тема:Біполярні транзистори,їх устрій,принцип дії ,схеми включення

Мета:
1.навчальна:засвоїти інформацію про біполярні транзистори,їх устрій. Засвоїти особливості схем включення цих приборів.Закріпити знання
2.розвиваюча:систематизувати знання,встановлювати зв'язки раніше вивченого з новим.
3.виховна:виховувати зацікавленність дисципліною, прагнення отримуватинові знання
Методичне та матеріально-технічне забезпечення: конспект лекцій,плакати
Організаційна структура лекції:
1. Визначення навчальних цілей і мотивація: перевірка присутніх, повідомлення теми лекції та її цілей, повідомлення плану лекції.
2.Питання лекції:

1.Призначення транзисторів.

2.Устрій біполярних транзисторів.

3.Принцип дії біполярних транзисторів.

4.Схеми включення біполярних транзисторів
3. Додаткові елементи заняття: демонстрація слайдів.
4. Висновки лекції, відповіді на можливі запитання.
5. Завдання для самопідготовки студентів:

Вивчити матеріал конспекта, Б.С.Гершунський'' Основи електроніки"

законспектувати та вивчити відповідні глави.

Викладач В.В.Хоружий

Лекція

Тема:Біполярні транзистори,їх устрій,принцип дії,схеми включення.
Мета:Познайомити студентів з характеристиками,властивостями та маркуванням біполярних транзисторів.Вивчити їх устрій. . Прищепити студентам навики роботи зі схемами цих приборів.
План лекції


  1. Призначення транзисторів.

  2. Устрій біполярних транзисторів.

  3. Принцип дії біполярних транзисторів.

4.Схеми включення біполярних транзисторів

Література

1.Б.С.Гершунський'' Основи електроніки"

2.В.С. Попов,С.А.Ніколаєв"Загальна електротехніка з основами електроніки "

3. Барыбин А.А. Электроника и микроэлектроника



Транзистором (від TRANSfer resISTOR - такий, що перетворює опір) називається електроперетворювальний НП прилад, який має один або декілька p-n переходів, три або більше виводів і здатний підсилювати потужність електричного сигналу.

Біполярний транзистор винайшли в 1947 році Джон Бардін і Волтер Браттейн під кервіництвом Шоклі із Bell Labs за що отримали Нобелівську премію з фізики. Вперше його продемонстрували 16 грудня, а 23 грудня відбулось офіційне представлення винаходу і саме ця дата вважається днем відкриття транзистора.

Дія біполярного транзистора базується на використанні двох p-n переходів між базою та емітором і базою та колектором. В області p-n переходів виникають шари просторового заряду, між якими лежить тонка нейтральна база. Якщо між базою й емітером створити напругу в прямому напрямку, то носії заряду інжектуються в базу й дифундують до колектора. Оскільки вони є неосновними носіями в базі, то легко проникають через p-n перехід між базою й колектором. База виготовляється достатньо тонкою, щоб носії зараду не встигли прорекомбінувати, створивши значний струм бази. Якщо між базою й емітером прикласти запірну напругу, то струм до колектора не протікатиме.

Транзистори класафікуються за вихідним матеріалом, розсіюваною потужністю, діапазоном робочих частот, принципом дії. В залежності від вихідного матеріалу їх поділяють на дві групи: германієві та кремнієві. За діапазоном робочих частот їх ділять на транзистори низьких, середніх і високих частот, за потужністю — на класи транзисторів малої, середньої та великої потужності. Транзистори малої потужності ділять на шість груп: підсилювачі низьких і високих частот, малошумні підсилювачі, перемикачі насичені, ненасичені та малого струму; транзистори великої потужності — на три групи: підсилювачі, генератори, перемикачі. За технологічними ознаками розрізняють сплавні, сплавно-дифузійні, дифузійно-сплавні, конверсійні, епітаксіальні, планарні, епітаксіально-планарні транзистори.

Позначення типу транзистора встановлено галузевим стандартом ГОСТ 11 336.919–81. Перший елемент позначає вихідний матеріал із якого виготовлений транзистор: германій чи його сполуки— Г, кремній або його сполуки — К, сполуки галію— А. Другий елемент — підклас напівпровідникового приладу. Для біполярних транзисторів другим елементом є літера Т. Третій елемент — призначення приладу (таблиця). Четвертий елемент — число від 01 до 99, що позначають порядковий номер розробки типу приладу. Допускається тризначний номер від 101 до 999 якщо номер розробки перевищує 99. П’ятий елемент позначення — літера російського алфавіту, що визначає класифікацію за параметрами приладів.

Дещо забігаючи наперед, розглянемо елементарні положення процесу підсилення потужності електричного сигналу.

У найзагальнішому вигляді для підсилення необхідна схема, наведена на рис. 2.9.

8.bmp

Широко розповсюджені транзистори з двома p-n переходами, що мають назву біполярних. Термін "біполярний" підкреслює, що процеси в цих транзисторах пов'язані з взаємодією носіїв заряду двох типів: електронів і дірок. Для виготовлення транзисторів використовують германій і частіше кремній. Два p-n переходи створюють за допомогою тришарової структури з чередуванням шарів, що мають електронну та діркову електропровідності.

У відповідності до чередування шарів з різними типами електропровідності біполярні транзистори поділяються на два класи: n-p-n і p-n-p типу, як показано на рис. 2.11.

Центральний шар біполярних транзисторів має назву "база". Зовнішній лівий, що є джерелом носіїв заряду (електронів чи дірок) і, головним чином, створює струм приладу, називається "емітером". Правий зовнішній шар, що приймає заряди від емітера, називається "колектором". На перехід емітер-база напруга подається у прямому напрямку, тому, навіть при незначній напрузі, через перехід тече великий струм. На перехід колек-тор-база напруга подається у зворотному напрямку. Зазвичай її значення на декілька порядків перевищує значення напруги на переході емітер-база.



9.bmp

На рис. 2.11 наведені також еквівалентні схеми транзисторів у вигляді двох діодів ( p-n переходів), увімкнених зустрічно. З них видно, що така конструкція не те що не може забезпечувати підсилення електричного сигналу, а взагалі непрацездатна - струм від колектора до емітера протікати не може!

Підсилюючі властивості біполярного транзистора забезпечуються тим, що p-n переходи в ньому не незалежні, а взаємодіють один з одним, що, у свою чергу, забезпечується технологічними особливостями виконання тришарової структури. А саме:

емітер виконано з великою кількістю домішки - він має велику кількість вільних носіїв заряду;

база виконана тонкою і має малу кількість основних носіїв заряду;

3) колектор - масивний і має кількість носіїв, меншу, ніж емітер.


Розглянемо роботу транзистора типу n-p-n.

10.bmp

Для початку припустимо, що увімкнено лише перехід колектор-база: до нього прикладено напругу джерела колекторного живлення Ex, як показано на рис. 2.12. Емітерний струм ІЕ дорівнює нулю, у транзисторі протікає лише незначний зворотний струм через колекторний перехід, бо через нього рухаються неосновні носії заряду, що зумовлюють початковий струм Ік0.



11.bmp

Якщо підімкнути емітерне джерело живлення ЕЕ, як показано на рис. 2.13, емітерний перехід зміщується у прямому напрямку, через нього тече струм ІЕ визначеної величини.



12.bmp

Оскільки зовнішню напругу прикладено до емітерного переходу у прямому напрямку, електрони долають перехід і потрапляють у зону бази, де частково рекомбінують з її дірками, утворюючи струм бази ІБ. Більшість електронів, що є неосновними носіями для бази, завдяки дрейфу досягають зони колектора, де вони є основними носіями, і, потрапляючи під дію поля Ex, утворюють колекторний струм І Струм Ix практично дорівнює ІЕ.

Рівняння для струмів транзистора в усталеному режимі має вигляд:

ІЕ = ІБ + ІК

Зв'язок між струмом емітера і струмом колектора характеризується коефіцієнтом передачі струму, що вказує, яка частка повного струму через емітерний перехід досягає колектора (передається до нього з емітера):

13.bmp

Для сучасних транзисторів a = 0,9 , 0,995.

Транзистор p-n-p типу діє аналогічно, тільки струм через прилад зумовлений, головним чином, дірками, а полярність підмикання джерел живлення протилежна.
Як елемент електричного кола транзистор зазвичай використовується так, що один із його електродів є вхідним, другий вихідним, а третій -спільний відносно входу та виходу. У коло вхідного електроду вмикається джерело вхідного змінного сигналу, що його треба підсилити за потужністю, а у коло вихідного - навантаження, у якому виділяється посилена потужність. Залежно від того, який електрод є спільним для вхідного і вихідного кіл, як це показано на рис. 2.14, розрізняють три схеми вмикання транзисторів: • зі спільною базою - з СБ; • зі спільним емітером - з СЕ; • зі спільним колектором - з СК.

1.bmp

Слід зазначити, що основні схеми вмикання розглядаються для сигналу напруги змінного струму.

У схемі з СБ: І - вхідний струм, І - вихідний, передатність струму:

статична:

динамічна:

У схемі з СК: ІБ вхідний струм; ІЕ – вихідний,

Для електричних схем на біполярних транзисторах існує чотири сім'ї статичних вольт-амперних характеристики ("статичних" у тому розумінні, що для транзистора задаються фіксовані значення напруги між деякими його електродами або струму в одному з кіл, і знаходяться відповідні їм значення струму у другому колі або напруги між іншими електродами - у статичному режимі).

Порівнюючи статичні характеристики біполярного транзистора з характеристиками гіпотетичного підсилюючого елемента ми бачимо, що транзистор далеко не ідеальний елемент.

Його вхідні характеристики не є прямими, що починаються з нуля (крім того, їх положення залежить від напруги у силовому колі транзистора), а є, швидше, експонентами (які з допущеннями можна вважати за прямі, зміщені відносно нуля на деяке значення напруги). Це виключає можливість підсилення сигналів.

Вихідні характеристики не паралельні осі напруг (мають деякий нахил: у схеми з CE більший, ніж у схеми з CБ), а також, реально, нерівномірно розміщуються залежно від рівномірних змін І або І (наприклад, коефіцієнт b - величина непостійна для різних значень Більше того, вихідні характеристики схеми з CE починаються не від осі Ix, через що, при малих напругах UКE струм IК 1 втрачає керованість.

Також слід зазначити, що, як і у всіх НП приладів, параметри транзистора (а отже, і положення його характеристик) значною мірою залежать від температури та різняться у різних екземплярів транзисторів навіть одного типу.

План заняття
Вид:лекція
Тема: Статичні характеристики і h-параметри транзисторів

Мета:

1.навчальна:засвоїти інформацію про h-параметри транзисторів.Сформулювати уявлення про характеристики цих приборів


2.розвиваюча:освоювати логічну структуру змісту лекції.Самостійнозастосовувати знання до вирішення практичних завдань
3.виховна:сприяти формуванню ідей.Виховувати почуття відповідальності у студентів.
Методичне та матеріально-технічне забезпечення: конспект лекцій,плакати
Організаційна структура лекції:
1. Визначення навчальних цілей і мотивація: перевірка присутніх, повідомлення теми лекції та її цілей, повідомлення плану лекції

2.Питання лекції:

1 Статичні характеристики транзисторів.


2.Визначення h- параметрів транзисторів.
3.Застосування транзисторів.
3. Додаткові елементи заняття: демонстрація слайдів.
4. Висновки лекції, відповіді на можливі запитання.
5. Завдання для самопідготовки студентів:

Вивчити матеріал конспекта, Б.С.Гершунський'' Основи електроніки"

законспектувати та вивчити відповідні глави.
Викладач В.В.Хоружий
Лекція
Тема:Статичні характеристики і h-параметри транзисторів.
Мета:Познайомити студентів зі статичними характеристиками транзисторів. Прищепити студентам навики розрахунку параметрів транзисторів.
План лекції
1 Статичні характеристики транзисторів.
2.Визначення h- параметрів транзисторів.
3.Застосування транзисторів.

Література

1.Б.С.Гершунський'' Основи електроніки"

2.В.С. Попов,С.А.Ніколаєв"Загальна електротехніка з основами електроніки "

3. Барыбин А.А. Электроника и микроэлектроника



Статичні характеристики біполярного транзистора

Транзистор має три електроди, серед яких в схемі ввімкнення один вхідний, другий вихідний, а третій – спільний для кіл входу та виходу. Постійний струм в кожному колі трьох схем ввімкнення транзистора – СЕ, СБ, СК – тече від позитивного (+) електроду через відповідні області транзистора до негативного (−) електроду джерела живлення. Стрілка емітера вказує напрямок струму, що проходить через транзистор.

Властивості схеми − характеристики, параметри та ін. залежать від того, за якою схемою ввімкнено транзистор. Таким чином, в залежності від того, які необхідно одержати кінцеві результати пристрою, і буде використовуватися та чи інша схема ввімкнення транзистора.

У вхідному колі діє вхідна напруга 5571_html_m24229f3d та вхідний струм 5571_html_3060180f, у вихідному колі – вихідна напруга 5571_html_3eddf931 та вихідний струм 5571_html_55d1fb04. Ці величини взаємопов’язані і впливають одна на одну.

Характеристики транзистора представляють собою залежність однієї з цих величин від іншої при незмінній третій величині.
Характеристики, що зняті без навантаження, коли одна з величин підтримується незмінною, називають статичними.
Сукупність характеристик, що зняті при різних значеннях цієї постійної величини представляє собою сімейство статичних характеристик.

Розрізняють два види характеристик транзистора – вхідні та вихідні.
Вхідна характеристика – це залежність вхідного струму від вхідної напруги при постійній вихідній напрузі.
Вихідна характеристика – це залежність вихідного струму від вихідної напруги при постійному вхідному струмі.

5571_html_m60fbb493
Рис. 1 Статичні характеристики біполярного транзистора

Визначення параметрів транзистора

Для оцінки властивостей транзисторів поряд з їх характеристиками використовують параметри. Розрізняють дві групи параметрів: первинні та вторинні.

Первинні – це власні параметри транзистора, що характеризують його фізичні властивості і не залежать від схеми ввімкнення транзистора:

5571_html_m69e21149 − диференційний опір емітерного переходу в прямому напрямку;

5571_html_14fe15ef − об’ємний опір бази; 

5571_html_4b7bbbc4 − диференційний опір колекторного переходу в зворотному напрямку;

5571_html_39d0367 − ємності емітерного і колекторного переходів. Вплив цих ємностей на коефіцієнт підсилення на низьких частотах незначний. 

Недоліком використання первинних параметрів є те, що їх неможливо виміряти безпосередньо за допомогою приладів, тому що точки для підключення вимірювальних приладів знаходяться в структурі транзистора.

Суть вторинних параметрів можливо пояснити, якщо представити транзистор як чотириполюсник, що має дві вхідні клеми та дві вихідні. Вхідні величини – це 5571_html_m2b93075a (вхідний струм та напруга), вихідні − 5571_html_m75cfb1ea. В чотириполюснику прийнято, що сигнали, тобто прирости 5571_html_m31a93895та 5571_html_41d87c59 незначні. Ці величини взаємно пов’язані. Дві величини приймають як незалежні, дві інші будуть залежними, змінними. Для них складається система з двох рівнянь де вони зв’язані з незалежними величинами через коефіцієнти – які називаються системою параметрів. Це система 5571_html_4b82bff7-параметрів (має розмірність опору); 5571_html_69f255cf-параметрів (розмірність провідності); і 5571_html_cc1127f-параметрів (змішана система). Остання використовується найчастіше.5571_html_m53d4ecad Щоб знайти 5571_html_cc1127f-параметри, складається система рівнянь, де незалежними змінними є 5571_html_3b47d6d2:

5571_html_54e89f25(*).

В системі рівнянь (*) чотири параметри 5571_html_mf57a233 з різною розмірністю. В залежності від схеми ввімкнення параметри транзистора будуть мати відповідні позначення, наприклад, h21е, h21б, h21к.

5571_html_m40ce76eb при 5571_html_3cf6b8f9, вхідний опір транзистора [Ом].

5571_html_m2236cc2b при 5571_html_m1e3ae766, вихідна провідність [Сименс].

5571_html_6860614c при 5571_html_m5956dafb,коефіцієнт внутрішнього зворотного зв’язку.

5571_html_m436c1902 при 5571_html_3cf6b8f9, коефіцієнт передачі

Саме h-параметри приводяться у всіх довідниках. Параметри системи h зручно вимірювати. Це дуже важливо, оскільки в довідниках містяться усереднені параметри, отримані внаслідок вимірювань параметрів декількох транзисторів даного типу. Два з h-параметрів визначаються при короткому замиканні для змінного струму на виході, тобто при відсутності навантаження у вихідному колі. У цьому випадку на вихід транзистора подається тільки постійна напруга (U2=const) від джерела Е2. Інші два параметри визначаються при розімкненому для змінного струму вхідному колі, тобто коли у вхідному колі є тільки постійний струм (I1 = const),який створюється джерелом живлення. Умови 
^ U2 = const і I1 = const неважко здійснити на практиці при вимірюванні h-параметрів.

У систему h-параметрів входять наступні величини:

1. Вхідний опір

h11 = 116575_html_m53d4ecad116575_html_m1906170dU1/116575_html_m1906170dI1 при U2 = const (5.3)

є опором транзистора для змінного вхідного струму (між вхідними затискачами) при короткому замиканні на виході, тобто при відсутності вихідної змінної напруги.

При такій умові зміна вхідного струму 116575_html_m1906170d^ I1 є результатом зміни тільки вхідної напруги 116575_html_m1906170dU1. А якби на виході була змінна напруги, то вона за рахунок зворотного зв'язку, існуючого в транзисторі, впливала б на вхідний струм. У результаті вхідний опір виходив би різним в залежності від змінної напруги на виході, яка, в свою чергу, залежить від опору навантаження RH. Але параметр h11 повинен характеризувати сам транзистор (незалежно від RH), і тому він визначається при U2 = const, тобто при RH = 0.

2. Коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою

h12 =116575_html_m1906170dU1/116575_html_m1906170dU2 при I1 = const (5.4)

показує, яка частина вихідної змінної напруги передається на вхід транзистора внаслідок зворотного зв'язку в ньому.

Умова ^ I1 = const в цьому випадку підкреслює, що у вхідному колі немає змінного струму, тобто це коло розімкнене для змінного струму, і, отже, зміна напруги на вході 116575_html_m1906170d^ U1 є результат зміни тільки вихідної напруги 116575_html_m1906170dU2.

Як вже вказувалося, в транзисторі завжди є зворотний зв'язок за рахунок того, що електроди транзистора електрично сполучені між собою, а також за рахунок опору бази. Цей зворотний зв'язок існує на будь-якій низькій частоті, навіть при = 0, тобто на постійному струмі.

3. ^ Коефіцієнт підсилення за струмом (коефіцієнт передачі струму)

h21 =116575_html_m1906170dI2/116575_html_m1906170dIпри U2 = const, (5.5)

який показує підсилення змінного струму транзистором в режимі роботи без навантаження.

Умова ^ U2 = const, тобто Rн = 0, і тут задається для того, щоб вихідний струм 116575_html_m1906170dI2 залежав тільки від вхідного струму 116575_html_m1906170dI1. Саме при виконанні такої умови параметр h21 буде дійсно характеризувати підсилення струму самим транзистором. Якби вихідна напруга змінювалася то вона впливала б на вихідний струм і за зміною цього струму вже не можна було б правильно оцінити підсилення.

4. ^ Вихідна провідність

h22 = 116575_html_m1906170dI2/116575_html_m1906170dU2 при I1 = const (5.6)

є внутрішньою провідністю для змінного струму між вихідними затискачами транзистора.

Струм ^ I2 повинен змінюватися тільки під впливом вихідної напруги U2. Якщо при цьому струм i1 не буде сталим, то його зміни викличуть зміни струму I2 і значення H22 буде визначено неправильно.

Величина h22 задається в сіменсах (См). Оскільки провідність в практичних розрахунках застосовується значно рідше, ніж опір, то надалі ми часто будемо користуватися замість h22 вихідним опором Rвиx = 1/h22, вираженим в омах або кілоомах.

Визначити параметри можна не тільки через прирости струмів і напруг, але і через амплітуди змінних складових струмів і напруг:

h11 = Um1/Im1 при Um2 = 0; (5.7)

h12 = Um1/Um2 при Im1 = 0; (5.8)

h21 = Im2/Im2 при Um2 = 0; (5.9)

h22 = Im2/Um2 при Im1 = 0. (5.10)

Нагадаємо, що h-параметри визначені для малих амплітуд, тому використання їх для великих амплітуд дає значні похибки.


План заняття


Вид:лекція


Поділіться з Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


База даних захищена авторським правом ©divovo.in.ua 2017
звернутися до адміністрації

войти | регистрация
    Головна сторінка


загрузить материал