Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Оптрон

 

Оптрон (оптоэлектронная пара, или отопара) – полупроводниковый прибор, содержащий излу­чатель и приемник излучения, связанные оптическим каналом.

 

Рис. 8.1 Структурная схема оптрона

 

Входные и выходные сигналы оптрона - электрические.

В качестве излучателя чаще всего используется светодиод.

 

Можно использо­вать п/п лазеры, однако светодиоды по сравнению с лазерами могут быть изготов­лены из различных полупроводниковых материалов, поэтому перекрывают большой диапазон длин волн и имеют больший КПД преобразования электриче­ской энергии в энергию излучения, работают с меньшими токами и напряже­ниями, более долговечны и дешевы.

 

Оптрон используется как элемент электрической развязки (гальванической) в цифровых и импульсных устройствах, системах автоматики для бесконтактного управления высоковольтными источниками питания.

 

Существует несколько разновидностей оптронов,которые определяются в основном типом использованного в оптроне фотоприемника.

Если в качестве фотоприемника использован фоторезистор, то оптрон называется резисторным, фотодиод - диодным, фототранзистор – транзисторным, фототиристор - тиристорным и т.д.

 

 

Рис. 8.2 УГО: Резисторный, диодный, транзисторный и тиристорный оптроны

Основные параметры оптронов

 

Группа параметров - входные

Свойства излучателя определяют входные па­раметры оптрона (токи, напряжения).

Группа параметров - выходные

Свойства фотоприемника определяют выход­ные параметры оптрона (токи, напряжения)..

3 группа параметров:

а. Коэффициент передачи по току

 

(8.1)

б. Граничная частота входных сигналов f_гр , на которой коэффициент пере­дачи по току уменьшается до уровня 0,707 • К(0), где К(0) - коэффици­ент передачи на низких частотах;

в. Время быстродействия оптрона - складывается из времени включения и выключения, которые определяются в основном физическими процесса­ми в фотоприемнике

 

(8.2)

Диодные оптроны имеют наибольшее быстродействие (до 10^-8 с), но малые К_I

4 группа параметров - параметры гальванической развязки:

а. Максимально допустимое напряжение между входом и выходом оптрона

(напряжение развязки) U_{разв max}

* единицы и десятки киловольт

б. Сопротивление гальванической развязки R_разв

* десятки и сотни мегом

 

 

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) изобретён в 1948 У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином (Нобелевская премия, 1956).

Транзисторысоставляют два основных крупных класса: униполярные и биполярные.

В униполярных транзисторах протекание тока через кристалл обусловлено носителями заряда только одного знака - электронами или дырками (полевой транзистор)

 

В биполярных транзисторах ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих знаков.

Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Транзистор - преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, пригодный для усиления мощности.

Рис. 8.3 УГОбиполярного транзистора

Схематическое устройство БТ(р-п-р)

 

Наиболее распространенные транзисторы имеют два p-n перехода.

 

 

Рис. 8.4 Схематическое устройство биполярного p-n-p транзистора

 

 

Рис. 8.5 Пример конструкции биполярного транзистора (Ge) p-n-p типа, сплавного, старинного.

Основной элемент транзистора - кристалл гер­мания, кремния или другого п/п, в котором созданы три об­ласти с различной проводимостью (рис. 8.4).

 

Две крайние области обладают проводимостью одинакового типа. Между ними – базовый слой (W, на рис. 8.4 и 8.5).

 

Структура имеет два p-n перехода – эмиттерный (б-э)иколлекторный (б-к).

 

Возможны два варианта биполярных транзисторов: p-n-p и n-p-nтипа.

 

Два условия работы транзистора:

 

- рас­стояние между базой и коллектором должно быть очень мало – единицы и доли микрометров. Т.е., область базы(w)- очень тонкий слой.

- концентрация атомов примеси в области базы незначительна - во много раз меньше, чем в эмиттере.

 

Принцип работы БТ

Активный режим(для примера)

Рис. 8.6 Принцип работы транзистора. Включение транзистора по схеме с общей базой.

 

В активном режиме (существуют и другие режимы), к эмиттерному

p-n переходу при­кладывается напряжение Е_эв прямом (пропускном) направлении, а к коллек­торному p-n переходу прикладывается напряжение Е_к в обратном направлении.

При этом Е_к » Е_э(рис. 8.6).

 

1. При замыкании ключа К1

к эмиттеру приложен +Е_Э; к, базе – Еэ, к участку эмиттер-база при­ложено напряжение в прямом направлении. Через эмиттерный переход пойдет прямой ток, создаваемый направлен­ным движением основных носителей заряда: инжекция дырок из эмиттера(в базе они станут неосновными) и электронов из базы (в эмиттере они станут неосновными).

Рис. 8.7 Принцип работы транзистора, б-э переход в прямом включении.

 

1. Если разомкнуть К1, а К2 замкнуть,

к коллектору приложен – Е_К; к базе + Е_К, переход закрыт и в цепи пойдет незначительный обратный ток I_кo (неосновных носителей).

 

Рис. 8.8 Принцип работы транзистора, б-к переход в обратном включении.

 

1. Если замкнуть все ключи,

это основной (активный) режим работы транзистора.

 

К участку эмиттер-база при­ложено напряжение в прямом направлении. Через эмиттерный переход проходит прямой ток, обуслов­ленный перемещением дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер.

 

Рис. 8.9 Принцип работы транзистора, токи

 

Т.к. кон­центрация носителей заряда в базе много меньше, чем в эмиттере, то количество дырок, проходящих в базу, намного превышает количество электронов, движущихся в противоположном направлении.

Для p-n-p транзистора эмиттерный ток равен:

I_Э = I_PЭ +I_nЭ (8.3)

 

g = I_PЭ/ I_Э = I_PЭ/ (I_PЭ +I_nЭ) = 1/(1+ I_nЭ/I_PЭ) (8.4)

 

где g - коэффициент инжекции эмиттерного перехода.

I_PЭ, I_nЭ - диффузионные токи основных носителей открытого базо-эмиттерного перехода.

Коэффициент инжекцииэмиттерного переходаgпоказывает,какаячасть эмиттерного токасостоит из заряда, инжектированного в базу.

Только инжектированные носители в эмиттер создают эффект усиления (рассмотрим ниже), поэтому желательно, чтобы коэффициент инжекции был как можно выше (обычно g > 0,99).

Поэтому почти весь ток через эмиттерный переход обусловлен дырками (для p-n-p транзистора).

 

Дырки, попав в базу, для которой они являются неосновными носителями заря­да, будут рекомбинировать с электронами.

 

Т.к процесс рекомбинация - не мгновенный, а толщина базы мала, то

почти все дырки успевают пройти через тонкий слой базы и достигнут коллекторный переход раньше, чем произойдет рекомбина­ция.

 

Подойдя к коллектору, дырки начинают испытывать действие электрического поля, созданного источником напряжения Е_к.

Это поле для дырок является ус­коряющим, и поэтому они быстро втягиваются из базы в коллектор и участву­ют в создании дрейфового коллекторного тока 1_К.

Не все инжектированные эмиттером носители доходят до коллектора, некоторая их часть рекомбинирует в базе:

I_pк = k I_PЭ (8.5)

где k - коэффициент переноса

Коэффициент переноса (k) показывает, какая часть инжектированных носителей дошла до коллектора, не прорекомбинировав.

Коэффициент переноса зависит от времени жизни неосновных носителей в базе и ее ширины W.

Чтобы обеспечить перенос инжектированных носителей через базу транзистора необходимо, чтобы диффузионная длина была больше ширины базы транзистора

 

L_p >>W (8.6)

 

Выполнение этого условия позволяет обеспечить высокие значения коэффициента переноса (обычно k > 0,98).

Коллекторный ток состоит из тока носителей заряда, инжектированных эмиттером в базу и обратного тока неосновных носителей коллектора через коллекторный переход I_ко поэтому, учитывая (8.4) и (8.5):

I_к = aI_Э +I_ко (8.7)

причем a ~ I_к/I_Э при I_ко ->0

тогда a = g k (8.8)

a - коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь.

Коэффициенты и характеризуют вклад инжекционных и рекомбинационных процессов в коллекторный ток, т.е. в работу транзистора и его характеристики.

Чем выше коэффициент передачи эмиттерного тока в коллекторную цепь (a), тем выше усиление транзистора по мощности, поэтому иногда этот коэффициент называют коэффициентом усиления транзистора в схеме с общей базой (рассмотрим ниже), т.к. g и k меньше единицы, то и a меньше единицы.

Для n-p-n транзистора можно написать соотношения, аналогичные (8.3) - (8.5), при этом изменяются только индексы, обозначающие тип носителей заряда.

Уравнения, характеризующие соотношения между токами транзистора (рис. 8.9):

I_к = I_э - I_б,
I_к ~ I_э + I_ко (8.9)

 

Расход электронов на рекомбинацию в базе компенсируется новыми электронами, по­ступающими в базу через базовый вывод. Поток этих электронов представляет собой базовый ток, равный

 

I_б = I_э - I_к (8. 10)

Для тока базы (I_б) можно написать, через :

I_б = I_э - I_к = I_э - I_э = I_э(1 - ) - I_ко (8.11)

 

также при I_ко ->0

 

I_э./ I_б = 1/(1 - ) >> 1 (8.12)

 

Очень малый процент дырок рекомбинирует с электронами в области базы, поэтому ток базы I_б мал, (I_б ->0) и тогда

 

I_к ~I _э (8.13)