Методическая разработка: Интерактивный урок "Транзисторы и их классификация. Биполярные транзисторы."

Слайд #1

Тема 11. Физические основы электроники. Электронные приборы
Транзисторы.
Транзисторы и их классификация.
Принцип действия биполярных транзисторов и схемы их включения.

Слайд #2

Транзисторы – полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.
Позволяют регулировать ток в электрической цепи.
2

Слайд #3

3

Слайд #4

Биполярные транзисторы – полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими pn-переходами и тремя выводами.
Биполярный транзистор является аналогом лампового триода, он способен выполнять усилительные, генераторные и ключевые функции.
Термин «биполярный» - используются носители обоих знаков: электроны и дырки.
4

Слайд #5

Б – база
К – коллектор
Э - эмиттер
ЭП – эмиттерный переход (между Б и Э)
КП – коллекторный переход (между К и Б)
5

Слайд #6

На пластинке полупроводника создаются три области различной электропроводности. В зависимости от порядка расположения областей различают
n - p - n и p - n - p-транзисторы.
6

Слайд #7

Режимы работы биполярного транзистора
активный (усилительный) используется в усилителях и генераторах: КП смещен в обратном направлении; ЭП смещен в прямом направлении;  
режим отсечки (транзистор заперт) используется в ключевых схемах (ключ разомкнут); КП, ЭП смещены в обратном направлении;
режим насыщения (транзистор открыт) используется в ключевых схемах (ключ замкнут); КП, ЭП смещены в прямом направлении;
инверсный режим (К и Э меняют местами) используется редко, т.к. все параметры падают: КП смещен в прямом направлении; ЭП смещен в обратном направлении.
7

Слайд #8

В схемах с транзисторами, как правило, образуется две цепи:

входная цепь – служит для управления транзисторами

выходная цепь – служит для подключения нагрузки.
8

Слайд #9

Принцип действия биполярного транзистора
Рассмотрим физические процессы в транзисторе на примере n-p-n-транзистора, работающего в активном режиме без нагрузки (статический режим).
Напряжения на переходах задаются внешними источниками постоянного напряжения Eб и Eк.
Их полярность и величина напряжения обеспечивают смещение ЭП в прямом направлении, а КП – в обратном, т.е. активный режим работы:
Eб (десятые доли В) < Eк (единицы сотни В).
Потенциал базы меньше потенциала коллектора, => КП смещен в обратном направлении, при этом сопротивление ЭП малó, а сопротивление КП великó.
9

Слайд #10

Физика процессов
Так как ЭП смещен в прямом направлении, то потенциальный барьер (как в обычном p-n-переходе) в этом переходе понижен, поэтому электроны легко, его преодолевая, инжектируются из эмиттера в базу.
10

Слайд #11

Небольшая часть электронов (≈5%) в базе рекомбинируют с дырками и в результате возникает сравнительно небольшой базовый ток Iб (дырок в базе мало, т.к. толщина база мала), а бóльшая оставшаяся часть электронов (≈95%) достигает коллекторного перехода.
Поскольку КП смещен в обратном направлении, то на этом переходе образуются объемные заряды (подобно обычному p-n-переходу при обратном напряжении). Между зарядами возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через КП электронов из эмиттера. Эти электроны и создают коллекторный ток.
11

Слайд #12

Ток коллектора Iк получается меньше тока эмиттера Iэ на величину тока базы Iб. В соответствии с 1 законом Кирхгофа между токами всегда справедливо соотношение:
Iэ = Iк + Iб
Iб << Iэ, то Iэ ≈ Iк
Ток базы Iб стараются сделать как можно меньше (считают его бесполезным). С этой целью базу делают очень тонкой и уменьшают концентрацию примесей (дырок). В этом случае меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками и следовательно Iб будет меньше.
12

Слайд #13

13

Слайд #14

Физические процессы в p-n-p транзисторе подобны процессам, рассмотренным для n-p-n транзистора.
Для перехода от одного типа транзистора к другому необходимо:
поменять носители: дырки и электроны;
изменить полярности напряжений на противоположные;
изменить направление токов в транзисторе.
При изменении напряжений на КП и ЭП происходит изменение толщины этих переходов, а => меняется толщина базы. Это явление (эффект) называется модуляцией толщины базы.
14

Слайд #15

Соотношения между токами транзистора
Ранее было показано, что Iк < Iэ из-за тока базы. Поэтому можно записать:
Iк =α*Iэ
Чем меньше Iб, тем ближе α →1
где α – коэффициент передачи тока эмиттера
15

Слайд #16

Выразим Iк. / Iэ = Iк + Iб
Видно, что между током базы и током коллектора существует линейная связь, поэтому говорят, что транзистор управляется током Iб.
Зная β, можно рассчитать α по формуле:
16

Слайд #17

Коэффициенты α, β зависят от режима работы транзистора. Максимум их достигается при средних токах, а при малых и больших данные коэффициенты снижаются.
Iк0 – обратный ток, протекающий из коллектора в базу (для n-p-n транзистора), составляет единицы мкА. В справочниках может обозначаться как IКБ0.
Данный ток определяется при оторванном проводе эмиттера, т.е. Iэ = 0.
17

Слайд #18

Iк0 – сквозной или начальный ток, протекающий из коллектора в эмиттер (для n-p-n транзистора) через все переходы, определяется про оторванной базе, т.е. Iб = 0, составляет десятки сотни мкА.
С учетом обратного тока коллекторный ток равен:
18

Слайд #19

Схемы включения биполярного транзистора
На практике применяют три основных схемы включения транзисторов:
- с общим эмиттером (ОЭ);
- с общей базой (ОБ);
- с общим коллектором.
Правило! Тип схемы включения определяется по выводу (электроду) транзистора, который является общим для входной и выходной цепей по переменному току.
19

Слайд #20

20

Слайд #21

21
Схема включения с общим эмиттером








Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току
(а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем
является наиболее распространенной.

Слайд #22

22
Схема включения с общей базой







Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на
высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать
частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор
включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой,
то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его
граничной частоты усиления.

Слайд #23

23
Схема включения с общим коллектором








Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью
передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. 
Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

Слайд #24

В схеме ОК коллектор соединен с общей точкой схемы, входом и выходом через источник Eк по переменной составляющей, для которой Cф является закороткой.

Отсюда, требование к источнику Eк: для переменного тока его внутреннее сопротивление должно быть равно нулю!
24

Слайд #25

25
Основные параметры биполярных транзисторов
Эксплуатационные параметры

1. Коэффициенты передачи эмиттерного α или базового β токов.
2. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении на КП: Iкбо = Iк0 (доли мкА десятки мА)
3. rб – объемное сопротивление базы (сотни Ом);
4. rк – дифференциальное сопротивление обратно смещенного КП (сотни кОм единицы МОм) или h22 – выходная проводимость;

Слайд #26

26
Основные параметры биполярных транзисторов
Эксплуатационные параметры

5. Uкн – напряжение насыщения коллектор-эмиттер (десятые доли В единицы В);
6. Cк – емкость обратно смещенного коллекторного перехода (единицы десятки пФ);
7. RT - тепловое сопротивление между КП и корпусом RT = ΔT/Pк max, где ΔT = Tп – Tк – перепад температур между переходом и корпусом транзистора;
8. fβ, fα – предельная частота передачи тока в схеме ОЭ и ОБ, соответственно.

Слайд #27

27
Максимально допустимые параметры

9. Iк мах – максимально допустимый ток коллектора (сотни мА десятки А);
10. Uкэ max – максимально допустимое напряжение К-Э;
11. Pк max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая коллектором (до десятков Вт);
12. Uбэ обр max – максимально допустимое обратное напряжение ЭП;
13. Iб max – максимально допустимый прямой ток базы.
Основные параметры биполярных транзисторов

Слайд #28

28
Превышение параметрами предельно-допустимых значений Iк max, Uкэ max, Pк max, Iб max, Uбэ обр max ведет к выходу транзистора из строя.
Основные параметры биполярных транзисторов

Слайд #29

Тест
29

Слайд #30

30