3.3. Схемы включения транзисторов

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 29)..

Рис.29. Схемы включения транзистора

а) ОБ; б) ОЭ; в) ОК

Как было показано, ток эмиттера распределяется между базой и коллектором. Учитывая, что при возрастании тока эмиттера за счет напряжения сигнала ток базы растет незначительно (из-за его малости), можно считать

I_k =  I _э

Транзистор характеризуют коэффициентом прямой передачи по току, который представляет собой отношение приращения выходного тока к вызывающему его приращению входного тока при постоянном напряжении в выходной цепи. Для схемы ОБ выходной ток - I_k , входной - I _э.Тогда

; при U_k=const

В усилительном режиме в схеме ОБ

 = _и = 0,95 - 0,99;

I_k =   I _э;

приращение тока базы

I_б =  I_э -  I _к =  I_э -   I_э =  I _э( 1 -  ).

В схеме с ОЭ выходным является ток коллектора, а входным - ток базы. Коэффициент прямой передачи по току в этом случае

или

(3.6)

Для увеличения  надо, чтобы   1. Транзистор обладает свойством усилителя.

В схеме с ОК выходным является ток эмиттера, а входным - ток базы. Коэффициент прямой передачи тока примерно равен 

(3.7)

Транзистор и в этом случае работает усилителем. На практике используют примерные равенства:

 =  _и  I _к / I _э

 =  _и  I _к / I _б

которые справедливы при I _к >> I _б > I_кбо.

В силу того, что характеристики в схемах ОЭ и ОК примерно одинаковы, далее рассматривается характеристики только в схемах ОБ и ОЭ.

3.4. Статические характеристики биполярных транзисторов

В схеме с общей базой входные (эмиттерные) характеристики представляют собой зависимость I _э= f (U_э ) при U_к = const. (рис. 30).

Рис. 30. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ)

Характеристика при U к = 0 аналогична прямой ветви диодной вольтамперной характеристики. При подаче (- Uк ) она смещается влево (у p-n-p транзистора). Это свидетельствует о наличии вну- т ренней обратной связи, обус-ловленной эффектом модуляции базы. Возникает он в основном из-за сопротивления базыr’б.

Это сопротивление создается слабо легированной областью базы. Оно является общим для входной и выходной цепей. Рост U_к приводит к росту I_кбо . Коллекторный переход расширяется, I_э.рек и ширина базы уменьшаются. Как следствие растет I_э, поскольку увеличивается доля напряжения эмиттер-база, приложенного непосредственно к переходу.

Выходные характеристики представляют собой зависимость тока I_к=f(U_к) при I_{э =} const. . Нулевая характеристика аналогична обратной ветви вольтамперной характеристики диода. С ростом I_э характеристика смещается, т.к. увеличивается ток коллектора на величину I_{кр =}  I_э  I_э.

а б

Рис.31. Характеристики транзистора в схеме ОБ: а - входные ; б - выходные

Кроме того, наклон характеристики с ростом I_э растет, поскольку с ростом напряжения U_к уменьшаются ширина базы d_б и рекомбинационный ток эмиттера I_э.рек и растет дырочная составляющая тока коллектора I_кр. Выходные характеристики имеют три области. В 1-й I_к сильно зависит от U_к (начальный участок). Эта зона размещается слева от оси тока, поскольку при U_к = 0, I_к  0, т.к. дырки переходят в коллектор под действием внутренней разности потенциалов  ₀. Вторая зона характеризуется слабой зависимостью I_к от U_к. Ток коллектора несколько растет из-за увеличения объемного заряда коллекторного перехода при росте U_кб. При этом снижается толщина базового слоя, растут  и I_к . одновременно снижается напряжение на эмиттерном переходе, отчего падает концентрация дырок вблизи него. Рост I_к во 2-й зоне при росте U_кб. характеризуется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода

при I_э=const.

Для маломощных транзисторов r _к(б) = (0,5 - 1,0) Мом. Поскольку характеристики во 2-й зоне почти линейны, можно записать I_к = f (U_кб) :

I_к =  I_э + U_кб / r _к(б) + I_ко (3.8)

наличие I_ко является одной из причин зависимости выходных характеристик от температуры. При росте температуры I_к растет, растет и коэффициент  .

Третья зона - пробой коллекторного перехода, возможный при недопустимом росте U_кб . Электрический пробой при этом очень быстро может перейти в тепловой. U_{кб макс.} указано в справочнике.

В схеме с общим эмиттером входные характеристики - это зависимость I_б =  (U_бэ) при U_к = const. Входным является ток базы. U_б и U_к отсчитываются от эмиттера, т.е. U_б = U_бэ, U_к = U_кэ )рис. 32, 33)..

Рис. 32. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ)	Рис. 33. Характеристики транзистора в схеме ОЭ: а - выходные; б - входные

Нулевая характеристика (U_кэ = 0, U_б < 0) - это суммарная характеристика эмиттерного и коллекторного переходов, соединенных параллельно и подключенных к источнику питания в прямом направлении. В коллекторной цепи протекает ток, противоположный обычному току коллектора. I_к отрицателен, а ток базы равен

I _б = I_э - I_к = I_б +  I_к. (3.9)

При небольшом отрицательном напряжении на коллекторе ток

I_к < 0, I_б = I_э - I_к . При этом ток базы резко падает и характеристика идет ниже. Снижение I_б при росте U_к обусловлено эффектом модуляции базы. Входные характеристики идут из точки с I_б < 0.

Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ - это зависимость I_к =  (U_к) при I_б = const. Напряжение на коллекторном переходе

U_кб = U_кэ-U_бэ. Имеются те же три зоны.

1-я зона - от начала координат до перелома. При U_кэ = 0 потоки дырок из коллектора в базу и из эмиттера в коллектор компенсированы, ток коллектора I_к 0. Рост U_кэ приводит к снижению напряжения на коллекторном переходе и уменьшению инжекции носителей.

Во 2-й зоне действует обратное напряжение. Точка перехода - при

U = 0,5 - 1,5 В . С учетом I_э = I_к + I_б, получим:

,

где  = I_к/ I_б = / (1 -  ) - коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ. При  = (0,9 - 0,99),  = (9 – 99) - получаем усиление по току

I_к = I _б + U_кэ / r _к(э) + I_ко(э) (3.10)

где r _к(э) = r _к(б) / (1 +) - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ, I_ко(э) = ( 1 + ) I_ко - обратный ток коллектора в схеме ОЭ. Во второй зоне тоже есть наклон характеристик из-за модуляции базы, но он больше из-за более сильного изменения  (r _к(э) мало, составляет 30 - 40 Ком). При нулевом токе базы через транзистор протекает начальный или сквозной ток I_ко(э) = ( 1 + ) I_ко. Нулевая характеристика проходит через начало координат и в рабочей области (U_r > 1В) располагается на уровне, примерно равном I_ко . Обратный ток цепи коллектор - эмиттер зависит от состояния входной цепи. Выходные характеристики в зоне малых U пересекают ось ординат в точке I_к < 0 (обратный ток перехода ), но начальный участок, где I_к<0, практического значения не имеет и в справочниках обычно не приводится.

Наличие повышенного тока I _ко нежелательно. При подаче смещения U_бэ>0 эмиттерный переход перейдет в непроводящее состояние и I_к снизится до I_к0 . Область ниже характеристики, соответствующей I_б = 0, называется областью отсечки (рис. 34)..

Рис. 34. Зависимость коэффициента β от тока базы

В этой схеме более сильно влияние температуры, т.к. Iко(э) больше и  более сильно меняется при изменении температуры. На рис. 34 приведена зависимость β = φ (Iб ). Она подобна зависимости α = f(Iэ) (рис. 28). Большему току эмиттера соответствует больший ток базы. П робой коллекторного перехода происходит при меньших в 1,5 - 2 раза

коллекторных напряжениях, чем в схеме с ОБ

5. Схемы замещения транзистора. Определение параметров

Для оценки параметров транзисторов принято пользоваться схемами замещения. Каждому элементу эквивалентной схемы можно придать определенный физический смысл.

В схеме замещения применены следующие параметры:

1. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, включенного в примом направлении (от единиц до десятков Ом)

r_э = dU_э / dI_э при U_кб = const.

Это объемное сопротивление низкоомное, в схеме замещения часто не учитывается.

а) б)

Рис. 30. Схема замещения транзистора: а- физические параметры;

б - схема замещения при включении с общим эмиттером

2. Объемное сопротивление базы r_б > r_э (от 100 до 400 Ом).

3. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (включенного в обратном направлении):

r_к(э) = {1 / (1 + )} { dU_кб / dI_к } , при I_б = const.

Определяется изменением тока коллектора при изменении напряжения на коллекторном переходе. Учитывает эффект модуляции базы,

r_к(э) = {1 / (1 + )}  (0,5 - 1,0 Мом)

4. Емкость коллекторного перехода С _кэ(э) равна сумме зарядной и диффузионной емкостей. Величина зависит от типа транзистора, составляет десятки пикофарад. Влияет на работу, особенно в области высоких частот. Емкость эмиттерного перехода не учитывается, поскольку она шунтирована малым сопротивлением r_э.

5. Граничная частота f_ = f_ / (1 + ). f_ - граничная частота в схеме ОБ, при которой  снижается в раз.

Частотные свойства схемы ОЭ хуже, чем схемы ОБ.

Достоинством физических параметров транзистора является то, что они не зависят от схемы включения. Недостаток - некоторые из них невозможно измерить. Поэтому на практике часто пользуются вторичными параметрами, характеризующими транзистор как активный четырехполюсник. Наибольшее распространение получила система h-параметров, которая предполагает малые приращения сигналов. В этом случае процессы можно описать системой уравнений

U₁ = h₁₁ i₁ + h₁₂ U₂

i₂ = h₂₁ i₁ + h₂₂ U₂

Из этой системы уравнений получаем:

1. h₁₁= U₁/i₁ при U₂=0, входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе.

2.h₁₂ =U₁/ U₂ при i₁ = 0, коэффициент обратной связи , показывающий, какая часть напряжения передается с выхода транзистора на вход при неизменном входном токе.

3

Рис.31. Представление

транзистора в качестве

четырехполюсника

.h₂₁ = i₂/i₁ при U₂=0, коэффициент передачи транзистора по току, измеренный

при постоянном напряжении на выходе. Для схемы ОЭ h ₂₁ = .

4.h₂₂ =i₂/U₂ при i₁ = 0, выходная проводимость транзистора при постоянном входном токе.

h - параметры связаны с физическими параметрами и позволяют их определить. Для схемы ОЭ получим::

r_э = h₁₂ / h₂₂ ; r_б = h₁₁ - h₁₂ ( 1 + h₂₁) / h₂₂ ; r_к = (1 + h₂₁) / h₂₂;  = h₂₁

Для разных схем включения h -параметры различны. Поэтому иногда их снабжают индексами: h_б - для схемы с ОБ, h_э - для схемы с ОЭ.

5. Параметры предельных режимов работы транзистора

Максимально – допустимыми параметрами называются значения режимов транзистора, которые нельзя превышать и при которых обеспечивается заданная надежность. К ним относятся предельные постоянные и импульсные токи и напряжения между электродами, а также максимальная мощность рассеяния.

Максимальные напряжения ограничиваются пробивными напряжениями переходов, а мощности и токи – тепловым пробоем. Для определения предельной мощности вводятся тепловые параметры: максимальные температуры работы и окружающей среды, а также тепловые сопротивления корпус – переход и переход – окружающая среда. Тепловое сопротивление оценивает, насколько повысится температура перехода при соответствующем значении рассеиваемой мощности. Определяется это сопротивление по формуле:

где: R_{пк -} тепловое сопротивление переход-корпус; t_п - температура перехода; t_к - температура корпуса; P –мощность рассеивания.

Повышение температуры приводит к росту тока I_кбо и смещению рабочей точки в сторону больших токов коллектора. С ростом температуры растут также время жизни носителей, коэффициент  , сопротивление базы r_б , поскольку уменьшается проводимость полупроводника, снижается сопротивление коллектора r_к. Рабочая точка смещается в сторону роста коллекторного тока за счет подъема характеристик транзистора.

5. Силовые транзисторы

В ряде случаев требуется иметь более высокие значения для коэффициента передачи тока транзистора и его входного сопротивления. В этом случае может быть полезна схема составного транзистора. При этом коэффициент передачи тока базы будет равен:

Рис. 35. Схема составного транзистора.

 = 1+ 2 + 12 . Если учесть, что 1 >> 1, и 2>> 1, то получим   12 Для получения максимального коэффициента  транзистор Т2 выбирают более мощным, с тем, чтобы его номинальный входной ток был равен выходному току транзистора Т1. Для получения максимального коэффициента транзистор Т2 выбирают более мощным,

с тем, чтобы его номинальный входной ток был равен выходному току транзистора Т1.

Рис.32.

Для составного транзистора справедливы соотношения:

r_э = r_э2 + ( r_э1 + r_б2) / (1 + ₂) = (2 r_э1 + r_б2) / (1 +₂ );

r_б  r_б1; r_к = r _к2// [ r_к1 / (1 + ₂)].

Коллекторные сопротивления составного транзистора меньше, чем сопротивление одного транзистора. Обратный ток коллектора становится несколько выше:

I_ко = I_ко2 + (1 +₂ ) I_ко1 . (3.11)

Составные транзисторы используются в схемах, где требуются повышенные значения входного сопротивления, коэффициентов усиления и пониженные значения выходного сопротивления.

По существу в составном транзисторе силовым является только транзистор Т₂, т.к. ток его коллектора во много раз больше тока коллектора транзистора Т₁ (отношение этих токов определяется коэффициентом β₂).

Входное напряжение составного транзистора, обеспечивающее его включенное состояние (режим насыщения), больше соответствующего напряжения обычного транзистора, т.к. равно сумме входных напряжений двух транзисторов. Тем не менее оно остается достаточно малым (не более нескольких вольт).

Напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения составного транзистора также превышает соответствующее напряжение обычного транзистора. Причина в том, что по существу в режиме насыщения работает только транзистор Т₁, а транзистор Т₂ остается в активном режиме. Напряжение между коллектором и базой транзистора Т₂ (т.е. напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Т₁) остается положительным и в режиме насыщения транзистора Т₁. Однако и для составного транзистора напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения невелико (обычно не более 2 В).

Составные транзисторы используются в схемах, где требуются повышенные значения входного сопротивления, коэффициентов усиления и пониженные значения выходного сопротивления.

Промышленность выпускает также силовые биполярные транзисторы. Они предназначены для управления большими токами (десятки ампер и более) и большими напряжениями( сотни вольт и более). Силовые транзисторы были разработаны вскоре после изобретения в 1948 г. биполярных транзисторов. В эту группу относят транзисторы с рассеиваемой коллекторной мощностью Р_max 1,5 Вт. Силовыми называют

Рис. 36. Структура одиночного силового транзистора

приборы на токи 10А и более. Подавляющее большинство мощных транзисторов кремниевые, с планарной или мезапланарной структурой (рис. 36) На толстой сильнолегированной n^+- подложке эпитаксиально выращен слаболегированный слой n-типа, в котором диффузией акцепторной примеси сформирован коллекторный p-n переход. С применением фотолитографии в оксиде, располо-

женном на р-слое, вскрыто окно, через которое проведена диффузия доноров, формирующих n-слой эмиттера Слой n-коллектора слаболегирован. Концентрация примеси в базе на 2 порядка выше. Коллекторный переход при обратном смещении расширяется в сторону коллектора, что предотвращает смыкание p-n переходов и обеспечивает высокое рабочее напряжение.

Мощные транзисторы работают преимущественно в режиме переключения, с быстрым переходом из закрытого состояния в открытое при большом коллекторном токе. При этом в коллекторе образуется значительный избыточный заряд дырок, что снижает быстродействие при закрытии транзистора.

Для улучшения свойств силовых транзисторов создают параллельную структуру из нескольких ячеек.

Основными параметрами являются:

1. Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при заданных токах

U_{кс нас.}.

2. Время нарастания, задержки, рассасывания и спада при заданных напряжениях и токах коллектора и базы.

Максимальные параметры: ток 300 А, напряжение 1400 В,

коэффициент = 5 - 10, время переключения - 2 - 5 мксек. Недостатком силовых биполярных транзисторов является низкий коэффициент передачи тока базы, что требует большого тока управления (десятки ампер). Из-за этого конструкция управляющего устройства получается нерациональной.

В схемах силовой электроники часто используют типовые узлы (фрагменты). Состоящие из некоторого количества соединенных определенным образом мощных приборов. Оказалось удобным размещать такие узлы в одном корпусе. Соответствующее устройство принято называть силовым модулем. Примером может служить модуль по схеме Дарлингтона (рис.37) В этом случае β достигает значения 100, упрощается схема устройства управления. Переходы транзисторов шунтированы резисторами,

а б

Рис. 37. Составной транзистор: а - структура; б - электрическая схема

сформированными продольными участками р-базы. Эти резисторы увеличивают максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, уменьшают время включения. Диод D обеспечивает протекание тока по направлению от эмиттера к коллектору составного транзистора при запертых транзисторах. Это повышает рабочие напряжения, уменьшает температурную нестабильность. Недостатком является высокое остаточное напряжение открытого ключа.

С 1980 г. силовые транзисторы использовали в ключевом режиме в преобразователях. Силовые транзисторы обычно используются в тяжелых режимах работы, близких к предельным. При этом происходит выделение значительной мощности в области коллекторного перехода. Максимально допустимая температура обычно указывается в справочнике. Особенно большая мощность выделяется при работе транзистора в активном режиме, например, в усилителях мощности. При этом снижается КПД устройства и создаются проблемы с охлаждением транзистора.

Наиболее эффективным способом снижения мощности, выделяющейся в коллекторе, является использование транзистора в ключевом режиме. При этом транзистор значительную часть времени работает в режиме отсечки, и ток коллектора близок к нулю, или в режиме насыщения, когда напряжение между коллектором и эмиттером близко к нулю. Мощность в режиме отсечки значительно меньше мощности в режиме насыщения, поэтому ею часто пренебрегают. Увеличение выделяемой мощности происходит только в переходных режимах.

Переход транзистора из выключенного состояния во включенное и наоборот происходит не мгновенно, а в течение определенного времени, что обусловлено инерционностью процессов изменения концентрации носителей зарядов и наличием в ней внутренних емкостей (рис. ). Предположим, что при tt₀ транзистор находиться в режиме отсечки (выключен). При t = t₀ в базу от источника управления поступает импульс тока, величина которого больше граничной (i_B1 i_{D sat} ) . Так как напряжение на входной емкости не может измениться скачком, начинается процесс ее заряда до напряжение U_{BE sat} .при котором начинается рост тока базового перехода (момент времени t₁ ). В момент времени t₂ достигается режим насыщения, ток коллектора перестает расти, а в базе продолжает увеличиваться избыточный заряд до момента времени t₃ . Таким образом, время включения транзистора состоит из времени задержки и времени нарастания тока коллектора

t_вкл = t_{d вкл} + t_ri .

Рис. 38. Динамические процессы в биполярном транзисторе

Процесс выключения транзистора начинается в момент подачи на базу запирающего импульса тока i_B2 (t₄) . Под воздействием этого тока начинается процесс рассасывания избыточного заряда. В момент времени t₅ транзистор выходит из режима насыщения и начинается спад коллекторного тока. Общее время выключения t_выкл = t _{d выкл.} + t_{fi ,} где и t_fi - длительность спада тока коллектора до наступления режима отсечки, т.е. длительность фронта выключения. Восстановление выходного напряжения закончится позже момента времени t₆ , когда ток коллектор станет равным нулю из-за наличия собственной выходной емкости транзистор.

Рис. 39. Область безопасной работы транзистора

На рис. 39 представлена область безопасной работы (ОБР) транзистора при постоянном и импульсном токах различной длительности. Участок аб соответствкет предельному значению постоянного токк. Участок бв - ограничивает ОБР в соответствии с максимально допустимой мощностью потерь в приборе. Участок вг соответствует максимально допустимому значению напряжения коллектор-эмиттер. В импульсном режиме работы границы ОБР расширяются, чем короче импульс тем больше могут быть допустимый ток и мощность.

Динамические вольт-амперные характеристики транзистора зависят от коммутируемой нагрузки. При выключении активно-индуктивной нагрузки возможны перенапряжения на ключевом элементе. Для ограничения перенапряжений применяются цепи формирования траектории переключения (ЦФТП), которые в литературе иногда называт снабберами. Можно шунтировать нагрузку обратно смещенным диодом, шунитировать транзистор стабилитроном или диодом с последовательно включенным конденсатором.