Режимы работы транзистора

Область работы транзистора	Эмиттерный переход	Коллекторный переход
I.Активная облаять	Открыт	Закрыт
II.Область отсечки	Закрыт
III.Область насыщения	Открыт	Открыт
IV.Область обратной проводимости	Закрыт

Вторая и третья области характеризуют работу транзистора в качестве переключательного элемента, а первая — работу в усилительном режиме.

На рис. 5 приведены вольт - амперные характеристики транзистора. В первом квадрате изображены зависимости I к =f (Uкэ) с Iб в качестве параметра. Область 1 – активная область, в которой эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт. Эта область используется при работе в усилительном режиме.

Рис. 5. Вольт – амперные характеристики

Если эмиттерный переход закрыт, т. е. базовый ток имеет положительное направление , то рабочая точка находится в области 3. В области2 коллектор­ный и эмиттерный переходы открыты, т. е. и

Крутизна характеристики представляет собой коэффициент усиления транзистора по току, т. е.

В третьем квадранте представлена входная характеристика транзистора. Масштаб рис. 5 не позволяет изобразить характеристики в области запирания. Зависимость обратных токов от U_бэ приведена на рис. 6.

Когда эмиттерный переход закрыт (U_бэ >0), остаточные токи транзистора почти перестают зависеть от базового напряжения.

Большой интерес представляет работа транзистора в качестве переключающего элемента, когда необходимо добиться приближения его свойств к электрическим свойствам металлического контакта, т. е. сопротивление участка переключение перехода коллектор – эмиттер в непроводящем слое сделать максимально возможным.

Рис.6:Зависимость обратных токов от U_бэ

Когда транзистор выключен (рис. 7), т. е. эмиттерный переход закрыт, рабочей точкой является точка А, находящаяся на нагрузочной прямой, соответствующей сопротивлению R_n. С увеличением силы тока базы по абсолютной величине рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой к большим значениям силы тока коллектора. При достижении силы тока базы значения - I_б.вкл которое соответствует точке Е, коллекторный переход открывается. Этому моменту соответствует обратное напряжение перехода коллектор- эмиттер U_{кэ ост}. Дальнейшее увеличение силы тока базы не приводит к возрастанию силы тока коллектора, так как он ограничивается сопротивлением нагрузки R_H, следовательно:

(3.1.)

И

(3.2.)

Обе рабочие точки определяют два крайних состояния транзисторного «ключа», определяя возможные значения его сопротивлений.

Рис. 7. Эквивалентная схема включения и вольтамперная характерис-тика транзистора в ключе-вом режиме

1.4. Переключающие и управляемые диоды — тиристоры. Тиристор - полупроводниковый прибор, с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Диодный тиристор называют динистором, а триодный – тринистором.

Основой тиристора является кристалл кремния, в котором созданы четыре чередующихся слоя р и п проводимостей (рис. 8, а).Омические контакты выведены от крайнего р слоя, являющегося анодом, и крайнего п слоя — катода.

Четырехслойную структуру p₁ – n₁ – p₂ – n₂ типа можно рассматривать как два транзистора типов p₁ – n₁ – p₂ и n₁ – p₂ – n₂ объединенных коллекторными переходами (см. рис. 8,6).

При подаче небольшого положительного напряжения на крайний р слой переходы f₁ и f₂ оказываются смещенными в прямом направлении и действуют подобно эмиттерам транзисторов. Переход f₂ при этом смещен в обратном направлении и является коллекторным переходом для обоих транзисторов. Так как падение напряжения на отрытых эмиттерных переходах незначительно, почти все внешнее напряжение оказывается приложенным к переходу f₂.

Ток, протекающий через коллекторный переход f₂ определяется суммой токов обоих транзисторов и тепловым обратным током I_к0 перехода f₂. Для транзистора типа p₁ – n₁ – p₂ ток через переход f₂, определяемый количеством дырок, инжектированных эмиттером и прошедших через базу п₁, равен где— коэффициент пе­редачи тока эмиттера, — эмиттерный ток транзистора типа p₁ – n₁ – p₂.

Аналогично для второго транзистора ток через переход f₂ соз­дается электронами области п₂ и равен . Общий ток перехода f_2:

(3.3.)

Поскольку через все последовательно соединенные переходы проходит один и тот же ток, равный силе тока внешней цепи, то

(3.4.)

Из (3.3) и (3.4) получим

(3.5.)

Из анализа соотношения (3.5) видно, что при<l ток I превышает тепловой ток I_ко, но останется небольшим, так как в кремниевых диодах величина I_ко может быть очень незначительной. Этот режим соответствует выключенному (закрытому)состоянию периода, когда сопротивление его максимально. При подаче на тиристор напряжения обратной полярности ток тиристора остается незначительным до напряжений, меньших Uобр max. Уменьшение сопротивления диода во включенном состоянии физически объясняется тем, что две внутренние области его насыщаются носителями тока (область n₁ —электронами, пришедшими из области n₂, и область р₂ — дырками, пришедшими из области p₁), вследствие чего все три перехода оказываются смещенными в прямом направлении.

Увеличение коэффициента () для перевода структуры во включенное состояние может быть осуществлено двумя способами:

- приложенное напряжение увеличивают до значений, при которых развивается пробой коллекторного перехода и происходит лавинное размножение носителей тока за счет ионизации атомов кремния быстрыми электронами; этот способ применяется в переключающих диодах;

- вводят управляющий электрод, присоединенный к р₂ слою (на рис. 9 обозначен УЭ); этот способ применяют в управляемых диодах — тиристорах.

Рис. 9. Схематическое устройство тиристора, условное графическое обозначение и вольт - амперные характеристики тиристора

При подаче положительного напряжения на управляющий электрод УЭ потенциальный барьер перехода fз (см. рис. 8) снижается и сила тока, протекающего через эмиттерный переход транзистора п₁—р₂—п₂, увеличивается. Это снижает напряжение, при котором происходит лавинное размножение носителей, т. е. напряжение включения тиристора.

Для перевода тиристора в закрытое состояние следует уменьшить силу тока тиристора до величины, меньшей так называемой удерживающей силы тока, составляющей примерно десятки миллиампер, или изменить полярность цепи питания вентиля.

На рис. 9 приведены прямые и обратная вольт - амперные характеристики тиристора при различных силах токов I_уэ управляющего электрода.

Участок ОА прямой характеристики соответствует выключенному состоянию тиристора. Вблизи точки А сила тока тиристора резко нарастает при небольшом увеличении напряжения. Напряжение, соответствующее точке А характеристики, называется напряжением переключения U_пер.

При дальнейшем росте силы тока напряжение на тиристоре снижается, что соответствует отрицательному сопротивлению тиристора, и последний переходит во включенное состояние (участок БВ). Во включенном состоянии остаточное падение напряжения на тиристоре незначительно (~1—2 В). Напряжение переключения меняется в зависимости от величины силы тока управляющего электрода. При подаче на тиристор напряжения обратной полярности ток тиристора остается незначительным до напряжений, меньших U_{обр max}.

Характеристики управления тиристора приведены на рис. 10. Заштрихованная область показывает возможные изменения управляющей силы тока и напряжения, при которых происходит выключение тиристора для различных температур (от -65 до +125°С).

Вследствие разброса управляющего тока в схемах, где требуется точное фиксирование момента включения, желательно управлять импульсами напряжения с крутым передним фронтом.

Инерционность процессов включения переключающих диодов и тиристоров характеризуется временем включения — временем с момента подачи отпирающего импульса до открытия приборов.

Время выключения — время, в течение которого на переключающие диоды и тиристоры должно быть подано отрицательное запирающее напряжение. За это время происходит восстановление электрической прочности диода или тиристора (запирающей способности).

Тиристоры и переключающие диоды имеют ряд важных преимуществ перед другими приборами и устройствами: большой срок службы, высокая механическая прочность, высокий к. п. д. вследствие малого падения напряжения в прямом направлении (порядка 1—2 В), небольшие размеры и массу, быстрый переход из запертого состояния в открытое и обратно, большой допустимый интервал рабочих температур (от -50° до +100...150°С). Эти преимущества обусловливают возможность широкого применения тиристоров и переключающих диодов в системе электроники.

Классификация биполярных транзисторов.

Выпускаемые промышленностью дискретные биполярные транзисторы классифицируют обычно по двум параметрам: по мощности и частотным свойствам.

По мощности они подразделяются на маломощные (Рвых≤ 0,3 Вт), средней мощности (0,3Вт< Рвых≤1,5 Вт) и мощные (Рвых>1,5 Вт); по частотным свойствам – на низкочастотные (f≤0,3 МГц), средней частоты (0,3 МГц < f≤ 3 МГц), высокой частоты (3 МГц< f≤ 30 МГц) и сверхвысокой частоты (f> 30 МГц).

Маркировка транзисторов, применяемая с 1972г., предусматривает шестисимвольное буквенно-цифровое обозначение. При этом каждый символ несет следующую информацию о транзисторе. Первый символ – буква или цифра, указывает (как и в случае маркировки диодов) исходный полупроводниковый материал. Второй символ – буква, обозначает класс прибора: П – полевые, Т – биполярные транзисторы. Третий символ – цифра (от 1 до 9), указывает на энергетическую и частотную характеристики биполярного и полевого транзисторов в соответствии с табл. 2.

Таблица 2