БИПОЛЯРНЫЙ (БПТ) И ПОЛЕВОЙ (ПТ) ТРАНЗИСТОРЫ И ИХ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

На основе работ американских физиков Дж. Бардина и Уолтера Браттейна американский физикУильям Шокли в 1948-1950 годах создал теорию P-N перехода и изобрел первый плоскостной БПТ, ставший основой всей ПП техники. В дальнейшем в 1958-60 годах американские фирмы выпустили первые ПТ.

БПТ называется ПП прибор с двумя p - n переходами и тремя выводами (эмиттер, база, коллектор), используемый для усиления, генерирования и преобразования эл. сигналов.

Существуют два типа БПТ - с электронной и дырочной проводимостью и соответственно с двумя основными носителями заряда в эмиттере электронами и дырками:

1) БПТ n - p - n → у которого основные носители (в эмиттере) электроны, неосновные (в базе) - дырки.

2) БПТ p - n - p → у которого основные носители (в эмиттере)дырки, неосновные (в базе) - электроны) .

Таким образом, в эмиттере всегда сконцентрированы основные, а в базе – неосновные носители заряда. Основные и неосновные одновременно участвуют в функционировании БПТ.

Эти два вида носителей заряда и определяют название «биполярный».  

По существу БПТ - это встречное соединение двух диодов: одного – в проводящем направлении (эмиттер – база), а другого – в обратном (запорном) – коллектор-база, при этом на эмиттере полярность внешнего напряжения при работе БПТ должна соответствовать знаку заряда основных носителей, а на двух остальных электродах (базе и коллекторе) – должна быть противоположной (см. рис. 1).

Рис1. Графический символ, структура и диодный эквивалент БПТ

                                    

Принцип усиления

Рис. 2. Упрощенная схема, характеризующая принцип усиления в БПТ

 

 Например, в БПТ n-p-n (рис.2) (в котором на базе «+»), положительная полуволна входного сигнала U _ВХ =   U _БЭ добавляет положительный потенциал (плюс) на базе транзистора, вследствие чего ток базы I _б увеличивается. Происходит процесс интенсивного введения электронов из основной области (эмиттера) в неосновную (базу), называемый инжекцией.Так возникает эмиттерный ток . Но электроны этого тока не успевают рекомбинировать с дырками базы из-за ее малой толщины и оптимально малой концентрации в ней дырок. Поэтому мгновенно вступает в действие процесс экстрации - интенсивное втягивание этих электронов в положительно заряженный коллектор благодаря его сильному электрическому полю. Возникает выходной экстрактируемый коллекторный ток (принято направление любого тока от источника в замкнутой цепи от «плюса к минусу»):

                                         (1)

Усиление обусловлено тем, что ток I _к , зависящий от большого напряжения питания Е_к, во много раз больше малого инжекцион-ного (управляющего) тока I _б в силу соответствующей несоразмер-ности величин напряжений Е_к > > Е_б. При этом выходное напряже-ние , отбираемое от источника питания Е_к, изменяется по закону изменения входного сигнала U _вх и определяется вторым законом Кирхгофа для коллекторной цепи в соответствии с уравне-нием (2), называемым выходной динамической характеристикой или нагрузочной прямой.

                        (2)

Коэффициент усиления по напряжению и току имеют вид:

                            (3)

В усилителе на БПТ с дырочной электропроводностью, т.е. типа p-n-p, работа происходит аналогично, однако, все полярности на электродах транзистора противоположны. Простейшая схема рис.2 называется схемой с общим эмиттером. Название « с общим эмит-тером» и другими ( с ОБ или ОК) означает, что данный электрод яв-ляется общим для входной и выходной цепей УК, рис. 3.

Рис. 3. Упрощенные схемы трех включений БПТ (ОБ, ОЭ, ОК)

 

Выводы

1. Таким образом, п-р-п БПТ (с основными носителями «элект-ронами») усиливает сигнал за счет одновременного действия двух процессов: инжекции (нагнетание электронов из эмиттера в базу, где их ждут неосновные носители – «+дырки») и экстракции (втяги-вании этих электронов мощным полем коллектора. В результате напряжение источника ЭДС Е_К перекачивается в нагрузку R_Н в ви-де «размаха» выходного сигнала U_КЭ = U_ВЫХ (положительной + и отрицательной - полуволн) синхронно со входным (управляющим) сигналом U_БЭ. Усиление обусловлено тем, что U_КЭ > > U_БЭ, а коэффициент усиления по напряжению равен:

К_U = U_ВЫХ / U_ВХ= U_КЭ / U_БЭ.

2. Название БПТ «биполярный» обусловлено тем, что в усилении участвуют одновременно два вида носителей тока – электроны и дырки.

 

Полевой транзистор (ПТ) и его усилительные свойства.

ПТ называется ПП прибор с одним обратно смещенным p-n-переходом и тремя выводами – истоком, затвором и стоком, выходной ток которого обусловлен не инжекциейэлектронов или дырок (как у БПТ), а расширением или сужением p - n перехода за счет потенциала (поля) затвора , предназначенный для усиления и преобразования электрического сигнала.

В отличие от БПТ, в ПТ носители тока только одного типа: дырки в ПТ со структурой p - n, либо электроны в ПТ со структурой n - p, поэ-тому полевые транзисторы часто называют униполярными (рис. 5). Третье название ПТ – канальные, так как ток транзистора протека-ет в канале «исток-сток», поперечное сечение которого перекры-вается за счет расширения поля затвора.

Основное же названию « полевой » обусловлено электрическим полем, возникающем за счет напряжения U _зи между затвором и истоком, который управляет током через канал.

Рис. 5. Схема включения и структуры ПТ с каналами n- и p-типов (б)

Процесс усиления сигнала

Отрицательная полуволна входного напряжения добавляет «минус» на затворе, (рис.4) и запирающий слой p - n -перехода расширяется, т.е. ширина n -канала уменьшается, что эквивалентно увеличению его сопротивления и прекращению протекания тока через канал от истока к стоку. При этом, как и в БПТ, малый управляющий сигнал на затворе синхронно вызывает большие колебания сигнала на нагрузке в стоковой цепи, т.е. имеет место усиление входного сигнала. Аналогичная биполярному транзистору выходная хар-ка имеет вид:  

U _вых  = U _си = Е_си – I _с ∙ R _н

Здесь описан так называемый ПТ с управляющим p-n-переходом. Существуют также другие типы ПТ, например, типов МДП и МОП («металл-диэлектрик-полупроводник» и «металл-окисел-полупро-водник»), структуры с индуцированными и встроенными каналами, диффузионными и изолированными затворами и т.д.

ПТ аналогично УК на БПТ может работать в трех схемах включе-ния (рис.6):

Рис. 6. Схемы включения полевого транзистора:
а – с общим истоком; б – с общим затвором; в – с общим стоком

Выводы:

1. Принцип действия полевого транзистора (ПТ) основан не на инжекции и экстракции, а на перекрывании канала «исток-сток» за счет поля (потенциала) затвора.

2.  В ПТ, как и в БПТ, напряжение источника стока Е_С перекачи-вается в нагрузку R_Н в виде «размаха» выходного сигнала  U_СИ = U_ВЫХ (положительной + и отрицательной - полуволн) синхронно со входным (управляющим) сигналом U_ЗИ. Усиление обусловлено тем, что U_СИ > > U_ЗИ, а коэффициент усиления по напряжению равен

К_U = U_ВЫХ / U_ВХ= U_СИ / U_ЗИ.

3. ПТ имеет три названия: полевой (управляется эл. полем затво-ра), униполярный (носители тока только  одного  вида - либо элект-роны, либо дырки) и канальный (ток в канале «исток-сток»)

3.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: