Презентация "Основы электроники. Устройство и принцип работы биполярного транзистора."

Слайд #1

Устройство и принцип работы биполярных транзисторов

Слайд #2

Цели занятия
Образовательная - изучение устройство биполярных транзисторов, принципа их работы и использования в электронных схемах.
Развивающая - развитие умения выделять главные и характерные свойства биполярных транзисторов; формирование общих и профессиональных компетенций.
Воспитательная - ориентирование студентов на приобретаемую профессию.

Слайд #3

Определение термина «транзистор»
Полупроводниковый триод иначе называется «транзистор», что в точном переводе двух английских слов «transfer resistor» означает «регулируемое сопротивление».

Слайд #4

Определение термина «транзистор»
Транзисторы - полупроводниковые приборы, которые располагают не менее чем тремя выводами и в определенных схемах включения могут усиливать мощность, преобразовывать сигнал или генерировать колебания.

Слайд #5

Определение термина «транзистор»
Различных видов транзисторов много – это полевые (униполярные) и биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором и однопереходные (двухбазовые) транзисторы, фототранзисторы и другие.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода.

Слайд #6

Изобретатели действующей модели транзистора
В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в
лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор

Слайд #7

Слайд #8

Конструкция первого биполярного транзистора

Слайд #9

Классификация транзисторов
по основному полупроводниковому материалу

Германиевые Germanium (Ge), 32

Кремниевые Silicium (Si), 14

Арсенид-галлиевые (GaAs) химическое соединение галлия и мышьяка

Слайд #10

Классификация транзисторов
по частоте
НЧ (<3 МГц)
СрЧ (3 - 30 МГц)
ВЧ (30-300 МГц)
СВЧ (>300 МГц)

Слайд #11

Классификация транзисторов
по мощности
ММ (<0,3 Вт) маломощные транзисторы
СрМ (0,3 - 3Вт) средней мощности
М (>3 Вт) мощные

Слайд #12

Дискретные транзисторы
Корпусные;
Для свободного монтажа.
Для установки на радиатор.
Для автоматизированных систем пайки.
Бескорпусные;
Транзисторы в составе интегральных схем.

Классификация транзисторов
по конструктивному исполнению

Слайд #13

Структуры биполярных транзисторов
Биполярные транзисторы, у которых две из трех областей имеют дырочный тип проводимости, называют транзисторами с прямой проводимостью, или структуры p-n-p.
А биполярные транзисторы, у которых две из трех областей имеют электронный тип проводимости, называют транзисторами с обратной проводимостью, или структуры n-p-n.

Слайд #14

Полупроводниковый прибор с двумя р-n переходами.

Биполярный, так как использует два типа носителей дырки и электроны.
Биполярный транзистор

Слайд #15

Типы биполярных транзисторов
У транзистора типа n-р-n средняя область имеет дырочную, а крайние области – электронную проводимость.

Слайд #16

Типы биполярных транзисторов
Транзисторы типа р-n-р имеют среднюю область с электронной, а крайние области с дырочной проводимостью.

Слайд #17

Электроды биполярных транзисторов
Электроды транзистора имеют внешние выводы, с помощью которых транзистор включается в электрическую схему.
Эмиттер - это область транзистора является источником носителей заряда, а область улавливающая эти носители заряда называется коллектором. Область, которая управляет потоком этих носителей, называется базой.

Слайд #18

Электроды биполярных транзисторов
База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Слайд #19

Выводы биполярных транзисторов
Таким образом в транзисторе имеются два р-n - перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Площадь эмиттерного перехода меньше площади коллекторного перехода.
Металлические выводы, привариваемые или припаиваемые к полупроводниковым областям, называют соответственно эмиттерным, коллекторным и базовым выводами.

Слайд #20

УГО биполярных транзисторов
В условных обозначениях разных структур стрелка на выводе эмиттера показывает направление эмиттерного тока в активном режиме. Кружок, обозначающий корпус дискретного транзистора, в изображении бескорпусных транзисторов, входящих в состав интегральных микросхем, не используется.

Слайд #21

УГО биполярных транзисторов

Слайд #22

Конструкция некоторых биполярных транзисторов
1 – коллектор;
2 – база транзистора, например, образованная кристаллом германия или кремния;
3 – основание компонента;
4, 5 – вплавленные в кристалл примеси, например, индия или алюминия;
6 – кристаллодержатель;
7 – эмиттер.

Слайд #23

Конструкция некоторых биполярных транзисторов

Слайд #24

Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей зарядов обоих знаков: дырок и электронов.
Управление протекающим через транзистор током осуществляется с помощью другого управляющего тока.
Биполярный транзистор управляется током.
Принцип действия биполярных транзисторов

Слайд #25

Принцип действия биполярных транзисторов

Усиление или генерация колебаний транзисторами связана с инжекцией носителей зарядов обоих типов. Те компоненты, в которых перемещение носителей зарядов возникает по большей части за счет диффузии, называют диффузионными транзисторами, а если за счет дрейфа – то дрейфовыми транзисторами.

Слайд #26

Принцип действия биполярных транзисторов

В диффузионных транзисторах неосновные носители заряда проходят область базы за счет теплового движения.

Слайд #27

Принцип действия биполярных транзисторов

В дрейфовых транзисторах (ДТ) создают такое неравномерное распределение примесей в области базы, чтобы концентрация примеси в зоне прилегания базы к эмиттеру была ориентировочно от 2-х до 4-х порядков выше, чем в зоне прилегания базы к коллектору. Неосновные носители заряда быстрее преодолевают базу под действием укоряющего поля коллекторного перехода.

Слайд #28

Принцип действия биполярных транзисторов

Диаграмма, иллюстрирующие распределение концентрации легирующей примеси дрейфового транзистора и зонная диаграмма.

Слайд #29

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Слайд #30

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника.

Слайд #31

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока

Слайд #32

в БТ реализуются четыре физических процесса:
- инжекция из эмиттера в базу;
- диффузия через базу;
- рекомбинация в базе;
- экстракция из базы в коллектор.

Слайд #33

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк.

Слайд #34

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его. Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки, а в базе электроны. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном дырками.

Слайд #35

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока

Слайд #36

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы.

Слайд #37

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции.
Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Слайд #38

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции.
Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Слайд #39

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Дырки перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода.

Создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода.

Начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу.

Слайд #40

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Слайд #41

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися базе.

Дырки поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд.

Они втягивают электроны через вывод базы и образуют базовый ток Iбр.

Слайд #42

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов.
Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Слайд #43

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы.

Слайд #44

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1.

Слайд #45

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора.

Слайд #46

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Обратный ток коллектора возникает в результате обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырок и электронов.

Т.к. обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

Слайд #47

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Обратный ток коллектора возникает в результате обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырок и электронов.

Т.к. обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

Слайд #48

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

Слайд #49

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока.

Слайд #50

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Основное соотношение для токов транзистора

Слайд #51

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Ток коллектора можно выразить как :

Слайд #52

Первая модель биполярного транзистора: усилитель тока
Таким образом, изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора.

Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

Слайд #53

Режимы работы биполярного транзистора
Нормальный активный режим.
Инверсный активный режим.
Режим насыщения.
Режим отсечки.

Слайд #54

Нормальный активный режим
Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):
Uэб > 0; Uкб < 0 (для транзистора n-p-n типа),
для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид Uэб < 0; Uкб > 0.

Слайд #55

Нормальный активный режим

Слайд #56

Инверсный активный режим
Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: Uкб > 0; Uэб < 0 (для транзистора n-p-n типа).

Слайд #57

Режим насыщения
Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Коллекторный переход отпирается, если напряжение коллектор база будет меньше - 0.4 В.
В этом режиме ток коллектора не зависит от тока базы. Напряжение насыщения примерно 0.2-0.3 В.

Слайд #58

Режим насыщения

Слайд #59

Режим отсечки
В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).
Режим отсечки соответствует условию Uэб<0,6—0,7 В, или ток базы = 0.

Слайд #60

Режим отсечки

Слайд #61

Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов
Дана схема с общим эмиттером.
Для получения характеристик необходимо
построить графики ниже указанных функций
Входная ВАХ
Выходная ВАХ

Слайд #62

Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов
Входная ВАХ
Выходная ВАХ
Uкэ

Слайд #63

Основные параметры транзистора
Коэффициент усиления по току.
Входное сопротивление.
Выходное сопротивление.
Обратный ток эмиттера при заданном Uэб.
Время включения (время задержки).
Предельная частота коэффициента передачи.
Емкость коллекторного перехода.
Обратный ток коллектора при заданном Uкб.
Максимально допустимые параметры Uкб,Uкэ,Iк.
Максимальная мощность рассеиваемая без теплоотвода.
Минимальная и максимальная рабочая температура.

Слайд #64

Домашнее задание
Подготовка индивидуальных сообщений и презентаций по темам:
Полупроводниковые биполярные транзисторы, их виды, условные обозначения.

Конструкции биполярных транзисторов.

3.Классификация биполярных транзисторов.