Биполярный транзистор

ВВЕДЕНИЕ
Электроника – это наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии, в основном для приёма, передачи, обработки и хранения информации.
Сфера применения электроники постоянно расширяется и поэтому знания в данной области становятся необходимыми для специалистов. Практически каждая сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Характеристики электронных устройств определяются, прежде всего, характеристиками составляющих их элементов.
Цель данной курсовой работы: рассмотреть биполярный транзистор КТ503А, определить его параметры и статические характеристики, в соответствии с заданными условиями выполнить анализ работы транзистора с нагрузкой в выходной цепи, рассчитать параметры эквивалентной схемы и малосигнальные параметры транзистора.
В теоретической части изложены общие теоретические сведения о биполярных транзисторах, приведены справочные данные биполярного транзистора КТ503А: описание, электрические параметры и предельный эксплуатационные данные. Приведены семейства входных и выходных статистических характеристик транзистора, представлены аналоги транзистора КТ503А.
В расчетной части указаны исходные данные, построена нагрузочная прямая по постоянному току, выбрано положение рабочей точки (точки покоя). Для данного транзистора определены малосигнальные параметры в окрестностях точки покоя, величины элементов эквивалентной схемы, граничные и предельные частоты транзистора, построены графики зависимости от частоты.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Общее сведения о биполярных транзисторах
В 1958 г. американские ученые Дж. Бардин и В. Браттейн создали полупроводниковый триод, или транзистор - полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами. Это событие имело громадное значение для развития электроники. Транзисторы могут работать при значительно меньших напряжениях, чем ламповые триоды, и не являются простыми заменителями последних: их можно использовать не только для усиления и генерации переменного тока, но и в качестве ключевых элементов.
В полупроводниковой структуре транзистора сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar).
Основанием прибора служит пластина полупроводника, называемая базой. С двух сторон в нее вплавлена примесь, создающая области с проводимостью, отличной от проводимости базы. Таким образом получают транзистор типа n-p-n, когда крайние области являются полупроводниками с электронной проводимостью, а средняя - полупроводником с дырочной проводимостью, и транзистор типа p-n-p, когда крайние области являются полупроводниками с дырочной проводимостью, а средняя - полупроводником с электронной проводимостью.
Одна крайняя область называется эмиттером, а другая – коллектором. На границах областей с различной проводимостью образуются два p-n перехода. Переход, образованный вблизи эмиттера, называется эмиттерным, а вблизи коллектора – коллекторным.
При использовании транзистора в схемах на его переходы подают внешние напряжения (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1– Схематическое изображение транзистора типа n-p-nЭ - эмиттер, Б - база, К - коллектор, W - толщина базы, ЭП - эмиттерный переход, КП - коллекторный переход
В зависимости от полярности этих напряжений каждый из переходов может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. Соответственно различают три режима работы транзистора: режим отсечки, когда оба перехода заперты; режим насыщения, когда оба перехода отперты; и активный режим, когда эмиттерный переход частично отперт, а коллекторный заперт. Если же эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный - в прямом, то транзистор работает в обращенном (инверсном) включении.
Для усиления электрических сигналов транзистор используют в активном режиме, где для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении на базу транзистора n-p-n типа подают положительное напряжение относительно эмиттера, а коллектор смещают в обратном направлении подачей положительного напряжения относительно эмиттера (для схемы с общим эмиттером), большего (обычно в несколько раз) по величине, чем напряжение, подаваемое на базу.
Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Условные обозначения транзисторов:а) транзистор n-р-n, б) транзистор p-n-p
Рассмотрим работу n-p-n транзистора (все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку). В n-p-n транзисторе электроны, основные носители заряда в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует к области коллектора, так как время рекомбинации относительно велико. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iб = Iэ - Iк).
Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк =αIэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α ≅ 0,9–0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000.
Примыкающие к базе области транзистора чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них (эмиттер) изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция носителей заряда в базу, а другую (коллектор) - так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы.
Рассматривая трех-электродный биполярный транзистор как четырехполюсник с одним общим выводом (электродом), можно осуществить три схемы включения биполярного транзистора. Рассмотрим эти схемы с точки зрения двух основных показателей: коэффициента усиления по току KI = Iвых/Iвх и входного сопротивления Rвх = Uвх/Iвх.
Схема включения с общей базой (ОБ) (рисунок 1.3) среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и может иметь большой коэффициент усиления по напряжению и, соответственно, большой коэффициент усиления по мощности. Не инвертирует фазу сигнала.

Рисунок 1.3 – Схема включения с общей базой (ОБ)
Достоинства схемы с общей базой:
хорошие температурные характеристики и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера;
высокое допустимое коллекторное напряжение.
Недостатки схемы с общей базой:
малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1;
малое входное сопротивление.
Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Схема включения с общим эмиттером
Имеет большой коэффициент усиления по току, и может иметь большой коэффициент усиления по напряжению и, соответственно, большой коэффициент усиления по мощности. Инвертирует фазу сигнала.
Достоинства:
наибольшее усиление мощности;
входное сопротивление примерно в β раз выше (на низких частотах), чем для схемы с общей базой
можно обойтись одним источником питания.
Схема включения с общим коллектором (ОК) (рисунок 1.5) среди всех трёх конфигураций обладает наибольшим входным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по напряжению, близкий, но меньший единицы, и имеет большой коэффициент усиления тока и, соответственно, большой коэффициент усиления по мощности. Не инвертирует фазу сигнала.

Рисунок 1.5 – Схема включения с общим коллектором
.Достоинства:
Большое входное сопротивление;
Малое выходное сопротивление.
Недостатки:
Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.
Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».
Биполярный транзистор КТ503А
Конструкция и применение
КТ503А – кремниевый, эпитаксиально-планарный n-p-n транзистор, средней мощности, среднечастотный. Предназначен для работы в ключевых и линейных схемах, узлах и блоках аппаратуры.
Выпускается в пластмассовом корпусе с гибкими выводами (рисунок 1.6).
Маркируется цифро-буквенным графическим или цветовым кодом на корпусе транзистора. На боковой поверхности корпуса наносится условная маркировка - точка белого цвета, а на торце корпуса цветовая тёмно-красная метка. Масса транзистора не более 0,3 г.

Рисунок 1.6 – Конструкция биполярного транзистора КТ503А
1.2.2 Параметры транзистора КТ503А
Структура: n -p-n
Классификационные параметры: h21Э, U КЭ0 гр, U КБ max, U КЭ max
Электрические параметры транзистора:
Граничное напряжение транзистора U КЭ0 гр = 25 В (мин.) (при I Э = 10 мА, t и ≤ 300 мкс)
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер U КЭ нас = 0,6 В (макс.)
(при I К = 100 мА, I Б = 5 мА)
Напряжение насыщения база-эмиттер U БЭ нас = 1,2 В (макс.)
(при I К = 100 мА, I Б = 5 мА)
Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ h21Э = 40… 120
(при U К = 5 В, I Э = 10 мА)
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ
fгр = 5 МГц (мин.); 15 МГц (тип.); 50 МГц (макс.) (при U К = 5 В, I Э = 3 мА)
Емкость коллекторного перехода CК = 20 пФ (макс.)
(при U К = 5 В, f = 465 кГц)
Емкость эмиттерного перехода CЭ = 30 пФ (макс.)
(при I К = 0,5 мА, f = 465 кГц)

Максимально допустимые параметры (гарантируются при температуре окружающей среды Тс = -40…+100 ºС):
Постоянный ток коллектора IK max = 300 мА
Постоянный ток базы IБ max = 100 мА
Импульсный ток коллектора IK и. max = 600 мА (при t и ≤ 10 мс, Q ≥ 10 )
Постоянное напряжение коллектор-база U КБ max = 40 В;
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер U КЭ max = 25 В;
Постоянное напряжение эмиттер-база U ЭБ max = 5 В;
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора1) Р K max = 500 мВт
Температура перехода Тп max = 150º С
1) При Тс ≤ +35ºC. При повышении Тс от +35ºC до +100º С РKmax уменьшается линейно до 220 мВт.
Характеристики КТ503А
На рисунках 1.7, 1.8 приведены входная и выходные вольт-амперные характеристики транзистора КТ503А.

Рисунок 1.7– Входная вольт-амперная характеристика

Рисунок 1.8– Выходные вольт-амперные характеристики
Аналоги транзистора КТ503А
Зарубежным аналогом транзистора КТ503А является биполярный среднечастотный n-p-n транзистор МPS6567, используемый в линейных и переключающих схемах.
Исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор: кремний (Si). Основные электрические параметры транзистора приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Параметры транзистора МPS6567
№ Электрические параметры Значение
1 Максимальная рассеиваемая мощность (Pc) 310 мВт
2 Макcимально допустимое напряжение коллектор-база (Ucb) 40 В
3 Макcимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер (Uce) 40 В
4 Макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (Ueb) 5 В
5 Макcимальный постоянный ток коллектора (Icmax) 500 мА
6 Предельная температура PN-перехода (Tj max) 135°C
7 Граничная частота коэффициента передачи тока (ftmax) 200 МГц
8 Ёмкость коллекторного перехода (Cc) 0,7 пФ (тип.)
9 Статический коэффициент передачи тока (hfe) 25(мин.)

Рисунок 1.9 – Общий вид и цоколевка транзистора МPS6567.
Обозначения контактов: C – коллектор, B – база, E –эмиттер
2 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Исходные данные
Дан биполярный транзистор КТ503А, включенный по схеме с общим эмиттером (рисунок 2.1). Выходная цепь транзистора нагружена резистор Rн=0,4∙103Ом и питается от источника ЭДС Eп=4 В.

Рисунок 2.1
2.2 Построение нагрузочной линии по постоянному току
Построим нагрузочную линию, выберем рабочую точку и определим основные параметры и характеристики транзистора.
Нагрузочная линия определяет режим работы выходной цепи транзистора, поэтому она строится на выходной вольт-амперной характеристике транзистора и определяется следующим уравнением:
Iк=Eп-UкэRн. (2.1)

Рисунок 2.2
Для получения нагрузочной линии необходимо найти 2 точки, удовлетворяющие уравнению (2.1):
приравниваем нулю ток коллектора Iк=0, в этом случае напряжение коллектор-эмиттер равно напряжению питания:
Uкэ=Eп=4 В; (2.2)
приравниваем нулю напряжение коллектор-эмиттер, тогда ток коллектора равен:
Iк=EпRн=4 В0,4∙103Ом=10∙10-3А=10 мА. (2.3)
Отмечаем точки (Iк=0;Uкэ=4 В) и (Iк=10 мА;Uкэ=0) на семействе выходных вольт-амперных характеристик транзистора. Соединив эти точки, получаем нагрузочную линию (рисунок 2.2).
2.3 Выбор рабочей точки
Рабочая точка должна быть выбрана примерно посередине между режимами отсечки и насыщения на ближайшей выходной характеристике. В нашем случае рабочая точка попадает на характеристику Iб=120 мкА, и именно на ней отмечаем рабочую точку (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3
Выбранной точке соответствуют следующие параметры рабочего режима:
Iб0=120 мкА; (2.4)
Iк0=3,9 мА; (2.5)
Uкэ0=2,45 В. (2.6)
Ещё один параметр определяем по входной ВАХ (рисунок 2.4). Несмотря на то, что напряжение коллектор-эмиттер Uкэ0=2,45 В≠5В, для расчёта выбираем именно характеристику Uкэ=5В, потому что для активного режима характеристики Uкэ≥1…2 В практически совпадают.

Рисунок 2.4
Таким образом, транзистор будет работать в выбранном режиме при напряжении смещения:
Uбэ0=0,66 В. (2.7)
2.4 Определение h-параметров
Для определения h-параметров транзистора необходимы его входная и выходная вольт-амперные характеристики. На входной ВАХ задаёмся приращением базового тока относительно рабочей точки (рисунок 2.5):
∆Iб=±80мкА=160 мкА. (2.8)

Рисунок 2.5
Приращению базового тока соответствует приращение напряжения база-эмиттер, равное:
∆Uбэ=0,07 В. (2.9)
Параметр h11Э, определяющий входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока, равен:
h11э=∆Uбэ∆Iб=0,07 В160 мкА=440 Ом. (2.10)
На выходной ВАХ транзистора задаёмся приращением тока базы (рисунок 2.6):
∆Iб=±40мкА=80 мкА. (2.11)

Рисунок 2.6
Соответствующее приращение тока коллектора равно:
∆Iк=3,1 мА. (2.12)
Тогда параметр h21Э, т.е. коэффициент передачи транзистора по току при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока, равен:
h21э=∆Iк∆Iб=3,1 мА80 мкА=39 . (2.13)
Для определения следующего h-параметра задаёмся на выходной ВАХ транзистора тока базы покоя Iб0 = 120 мкА приращением напряжения коллектор-эмиттер (рисунок 2.7):
∆Uкэ=3 В. (2.14)

Рисунок 2.7
Соответствующее приращение тока коллектора составляет:
∆Iк=0,15 мА. (2.15)
Выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи) – параметр h22Э равен:
h22э=∆Iк∆Uкэ=0,15 мА3 В=50 мкСм. (2.16)
Последний h-параметр – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока определяется по формуле пересчета:
h12э=12,5·h22эСмIэ0, (2.17) где Iэ0 – значение тока эмиттера в мА.
Так как ток эмиттера равен:
Iэ0=Iк0+Iб0=3,9 мА+0,12 мА=4,02 мА , (2.18)
то параметр h12э имеет значение:
h12э=12,5∙50∙10-64,02=1,55∙10-4. (2.19)
2.5 Расчёт величин элементов эквивалентной схемы
Физическая малосигнальная эквивалентная схема биполярного транзистора (схема Джиаколетто) представлена на рисунке 2.8. Рассчитаем величины входящих в неё элементов.

Рисунок 2.8
Значения конденсаторов Ск и Сэ равны ёмкостям коллекторного и эмиттерного переходов и находятся по справочнику :
Ск=20 пФ; (2.20)
Сэ=30 пФ. (2.21)
Для расчёта сопротивлений резисторов необходимо определить сопротивление эмиттерного перехода эмиттерному току и крутизну вольт-амперной характеристики транзистора:
rЭ=25 мВIэ0=25мВ4,02 мА=6,22 Ом; (2.22)
S=h21эh11э=39440 Ом=0,0886 АВ. (2.23)
Сопротивление эмиттерного перехода базовому току рассчитываем по формуле:
rБЭ=rЭ∙h21э=6,22 Ом∙39=243 Ом. (2.24)
Выходное сопротивление транзистора равно:
rКЭ=1h22э-h12э ∙ S=150·10-6 См – 1,55·10-4 ∙0,0886АВ =27,6 кОм. (2.25)
Сопротивление коллекторного перехода:
rК=h21э ∙rЭh12э=39∙6,22 Ом 1,55·10-4=1,56 МОм. (2.26)
И, наконец, последний параметр – объёмное сопротивление базы:
rБ=τСк, (2.27)
где τ– постоянная времени цепи обратной связи, которая находится по справочнику*.
*) В отсутствие справочных данных объемное сопротивление базы приближенно оценивается по формуле rБ=h11э-rБЭ.

Объёмное сопротивление базы транзистора равно
rБ=h11э-rБЭ=440-243=197 Ом. (2.28)
2.6 Расчёт граничных и предельных частот
Предельную частоту передачи тока рассчитываем по формуле:
fh21э=12π∙h21э∙rЭ∙СЭ=12π∙39∙6,22 Ом∙30 пФ=21,9 МГц. (2.29)
Значение граничной частоты передачи тока находим по справочнику:
fГР=15 МГц. (2.30)
В отсутствие справочных данных, находим значение постоянной цепи обратной связи по формуле:
τ=rБСк=197 Ом∙20 пФ=3950 пс=3,95 нс. (2.31)
Далее рассчитываем максимальную частоту генерации транзистора:
fГЕН=fГР8π∙τ=15 МГц8π∙3950 пс=12,3 МГц. (2.32)
Предельная частота транзистора по крутизне:
fS=12π∙τ=12π∙3950пс=40,3 МГц. (2.32)
2.7 Определение частотных зависимостей Y-параметров
Необходимо определить частотные зависимости модулей проводимости прямой передачи Y21(ω) и входной проводимости транзистора Y11(ω).
Перечисленные величины определяется на практике при короткозамкнутом для переменной составляющей выходе транзистора.
Определим зависимость Y21(ω):Y21(ω)=S1+(ωτ)2=0,0886 1+(3,95∙10-9∙ω)2 См, (2.33)
где ω - круговая частота, [рад/с].
Зависимость Y11(ω) равна:
Y11ω=1h11э1+ωωh21Э21+ωωS2=1h11э1+ω2π∙fh21Э21+ω2π∙fS2=14401+ω2π∙21,9∙10621+ω2π∙40,3∙1092 См, (2.34)
где ω - круговая частота, [рад/с].
Для построения графиков найденных зависимостей необходимо рассчитать некоторое количество точек. Максимальное значение частоты не должно быть меньше, чем (10…20)ωS=(10…20)∙2π∙fS, т. е. для нашего случая – (2,5…5)∙109радс. Исходя из этого, заполняем таблицу 2.2.
Таблица 2.2 – значения Y21(ω) и Y11(ω)
ω,109 радс0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Y21(ω), 10-3См88,6 40,0 21,7 14,7 11,1 8,92 7,45 6,39 5,60 4,98 4,48
Y11ω, 10-3См2,27 3,87 4,10 4,15 4,16 4,17 4,18 4,18 4,18 4,18 4,18
По значениям таблицы 2.2 строим графики Y21(ω) (рисунок 2.9) и Y11(ω) (рисунок 2.10).

Рисунок 2.9

Рисунок 2.10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения курсовой работы был рассмотрен и изучен биполярный транзистор КТ503А. Используя учебную литературу, методические указания, справочные материалы были определены параметры и статические характеристики. В соответствии с условиями задания была проанализирована работа транзистора с нагрузкой в выходной цепи. Рассчитав параметры эквивалентной схемы и малосигнальные параметры транзистора, была установлена зависимость этих параметров от частоты, которая представлена в виде графиков.
Опираясь на данные полученные в ходе исследования (графики Y21(ω) и Y11(ω)) можно отметить, что с увеличением частоты ω проводимость прямой передачи Y21(ω) уменьшается (обратно пропорционально частоте на высоких частотах), в то время как входная проводимость транзистора Y11(ω) увеличивается и достигает своего максимального значения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы. Минск: Высшая школа, 1999.
2. Справочник по полупроводниковым диодам, Транзисторам и интегральным схемам /Под ред. Н.Н. Горюнова. М.:Энергия, 1976.
3. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977.
4. Пасынков В.В., Чиркин А.К. Полупроводниковые приборы. СПб.: Издательство «Лань», 2001.
5. Электронные приборы. Учебник для вузов/ В.Н.Дулин, Н.А.Аваев, В.П.Демин и др./ Под ред. Г.Г.Шишкина. М.:Энергоатомиздат, 1989.
6. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1985.
7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник/ Под ред. А.В. Голомедова. М.6 Радио и связь, 1994.
8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник /Под ред.Н.Н.Горюнова. М.:Энергоатомиздат, 1985.
9. Вайсбурд Ф.И., Панаев Г.А., Савельев Б.Н. Электронные приборы и усилители. М.: Радио и связь, 1987.
10. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/Под
ред. Б.Л.Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981.