Общие теоретические сведения о биполярных транзисторах,. Основные технические параметры КТ201А

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

 

1.1. Общие теоретические сведения о биполярных транзисторах

 

Транзистором называют электронный полупроводниковый  прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Обычно выделяют два класса транзисторов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.

В БТ ток через кристалл обусловлен движением носителей  заряда обоих знаков (и электронов, и дырок).

В полевых транзисторах протекание тока через кристалл обусловлено  движением носителей заряда одного знака (электронов или дырок).

БТ называют полупроводниковый  прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами. Он имеет структуру, состоящую из чередующихся областей с различными типами электропроводности: n-p-n или p-n-p (рис.1.1).

Принцип работы БТ обеих структур одинаков, они отличаются только полярностью подключения источников питания. Рассмотрим работу БТ на примере структуры n-p-n.

В пластину полупроводника p-типа с низкой концентрацией дырок  наплавляются с двух сторон таблетки донорной примеси. Атомы донорной примеси проникают в кристалл, создавая n-области. Между n-областями и полупроводником p-типа образуются p-n-переходы. При этом в одной n-области создают большую концентрация примесей (на рис. – в левой n-области), чем в другой. Наименьшая концентрация примеси остается в средней области p-типа.

Наружная область с  наибольшей концентрацией примеси  называется эмиттером, вторая наружная область – коллектором, а внутренняя область – базой. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а между коллектором и базой – коллекторным переходом. В соответствии с концентрацией основных носителей заряда база является высокоомной областью, коллектор – низкоомной, а эмиттер – самой низкоомной. Толщина базы очень мала и составляет единицы мкм; площадь коллекторного перехода в несколько раз превышает площадь эмиттерного перехода.

 

 

Рис. 1.1. Устройство и условные графические обозначения биполярных транзисторов: а – n-p-n-структуры; б – p-n-p-структуры (стрелка эмиттера направлена по направлению прямого тока в переходе база-эмиттер)

 

Применение БТ для  усиления электрических колебаний  основано на его принципе действия как управляемого электронного прибора. В схеме включения транзистора (рис.1.2) к эмиттерному переходу должно быть приложено прямое напряжение, а к коллекторному – обратное. Если на эмиттерном переходе нет напряжения, то через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток Iкобр. По сравнению с рабочим током им можно пренебречь для упрощения рассуждений и считать, что в коллекторной цепи тока нет, т.е. транзистор закрыт.

При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения от источника  питания Еэ происходит инжекция носителей  заряда из эмиттера в базу, где они  являются неосновными. Для транзистора n-p-n этими носителями заряда являются электроны. Движение электронов в процессе инжекции через эмиттерный переход создает ток эмиттера Iэ. Электроны, перешедшие в базу, имеют вблизи p-n-перехода повышенную концентрацию, что вызывает диффузию их в базе. Толщина базы очень мала, поэтому электроны в процессе диффузии оказываются вблизи коллекторного перехода. Большая их часть не успевает рекомбинировать с дырками базы и втягивается ускоряющим электрическим полем коллекторного перехода в область коллектора. Происходит экстракция электронов под действием обратного напряжения из базы в коллектор. Движение электронов в процессе экстракции из базы в коллектор создает ток коллектора Iк. Незначительная часть инжектируемых из эмиттера в базу электронов рекомбинируют в области базы с дырками, количество которых пополняется из внешней цепи от источника Еэ. За счет этого в цепи базы протекает ток базы Iб. Он очень мал из-за небольшой толщины базы и малой концентрации основных носителей заряда – дырок. При этих условиях число рекомбинаций, определяющих величину тока базы, невелико.

 

Рис.1.2. Схема подключения БТ к источникам питания

 

Ток коллектора управляется  током эмиттера: если увеличится ток  эмиттера, то практически пропорционально  возрастет ток коллектора. Ток эмиттера может изменяться в больших пределах при малых изменениях прямого напряжения на эмиттерном переходе.

Токи трех электродов транзистора связаны соотношением:

Iэ = Iк + Iб.

Ток базы значительно  меньше тока коллектора, поэтому для  практических расчетов часто считают Iк = Iэ.

Принцип действия p-n-p-транзистора  аналогичен рассмотренному, но носителями заряда, создающими токи через p-n-переходы в процессе инжекции и экстракции, являются дырки; полярность источников Еэ и Ек должна быть изменена на противоположную, соответственно изменятся и направления токов в цепях.

На основании рассмотренных  процессов можно сделать вывод, что БТ как управляемый прибор действует за счет создания транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера через базу в коллектор и управления током коллектора путем изменения тока эмиттера. Таким образом, биполярный транзистор управляется током.

Ток эмиттера как прямой ток p-n-перехода изменяется значительно  при очень малых изменениях напряжения на эмиттерном переходе и вызывает, соответственно, большие изменения тока коллектора. На этом основаны усилительные свойства транзистора.

 

1.2. Основные технические параметры КТ201А:

Зарубежный аналог - 2N2617

 Транзисторы кремниевые  эпитаксиально-планарные структуры  п-р-п усилительные с ненормированным (2Т201А, КТ201А, 2Т201Б, КТ201Б, 2Т201В, КТ201В, 2Т201Г, КТ201Г) и нормированным (2Т201Д, КТ201Д) коэффициентом шума на частоте 1 кГц.

 Предназначены для  применения в усилителях низкой  частоты. 

 Выпускаются в металлостеклянном  (2Т201А, 2Т201Б, 2Т201В, 2Т201Г, 2Т201Д, КТ201А, КТ201Б, КТ201В, КТ201Г, КТ201Д) и пластмассовом (КТ201АМ, КТ201БМ, КТ201ВМ, КТ201ГМ, КТ201ДМ) корпусах с гибкими выводами.

 Тип транзистора  в металлическом корпусе указывается  на боковой поверхности корпуса,  в пластмассовом корпусе на боковой поверхности корпуса указывается сокращенное обозначение: КТ201АМ - 201 А, КТ201БМ - 201Б, КТ201ВМ - 201В, КТ201ГМ - 201Г, КТ201ДМ - 201Д.

 Масса транзистора  не более 0,6 г.

 

 Основные технические  характеристики транзистора КТ201А:

 • Структура транзистора: n-p-n

 • Рк max - Постоянная  рассеиваемая мощность коллектора: 150 мВт;

 • fгр - Граничная  частота коэффициента передачи  тока транзистора для схемы  с общим эмиттером: не менее  10 МГц;

 • Uкбо max - Максимальное  напряжение коллектор-база при заданном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера: 20 В;

 • Uэбо max - Максимальное  напряжение эмиттер-база при заданном  обратном токе эмиттера и разомкнутой  цепи коллектора: 20 В;

 • Iк max - Максимально  допустимый постоянный ток коллектора: 20мА;

 • Iкбо - Обратный  ток коллектора - ток через коллекторный  переход при заданном обратном  напряжении коллектор-база и разомкнутом  выводе эмиттера: не более 1 мкА;

 • h21э - Статический  коэффициент передачи тока транзистора  в режиме малого сигнала для схем с общим эмиттером: 20...60;

 • Ск - Емкость коллекторного  перехода: не более 20 пФ

 

2 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

Вариант	Тип транзистора	EП, В	RН, кОм
72	КТ201А	16	0,4

 

 

2.1 Исходные данные

Дан биполярный транзистор КТ201А (n-p-n транзистор), включенный по схеме с общим эмиттером. Выходная цепь транзистора нагружена резистор R_Н=0,4 кОм и питается от источника ЭДС E_П=16 В. Построим нагрузочную линию, выберем рабочую точку и определим основные параметры и характеристики транзистора.

 

Рис. 2.1

 

 

2.2 Построение  нагрузочной линии по постоянному  току

Нагрузочная линия определяет режим работы выходной цепи транзистора, поэтому она строится на выходной вольт-амперной характеристике транзистора и определяется следующим уравнением:

(2.1)

Для получения нагрузочной  линии необходимо найти 2 точки, удовлетворяющие  уравнению (2.1):

1. приравниваем нулю ток коллектора в этом случае напряжение коллектор-эмиттер равно напряжению питания:

U_КЭ = E_п = 16В;   (2.2)

2. приравниваем нулю напряжение коллектор-эмиттер, тогда ток коллектора равен:

  I_К= E_п/R_Н = 16В/0,4*10³ Ом = 0,04 А (2.3)

Отмечаем точки I_К=0 мА; U_КЭ =  16В и I_К=40 мА; U_КЭ =  0В на выходной вольт-амперной характеристике транзистора. Соединив эти точки, получаем нагрузочную линию (рисунок 2.2).

 

Рис. 2.2

 

2.3 Выбор рабочей  точки

Рабочая точка должна быть выбрана примерно посередине между режимами отсечки и насыщения на ближайшей выходной характеристике. Наиболее подходящей будет характеристика . Именно на ней отмечаем рабочую точку.

 

Рис. 2.3

 

Выбранной точке соответствуют  следующие параметры рабочего режима:

I_б0 = 0,4 мА (2.4)

  I_к0 = 18 мА    (2.5)

U_КЭ =  9В   (2.6)

Ещё один параметр определяем по входной ВАХ (рисунок 2.4). Несмотря на то, что напряжение коллектор-эмиттер  для расчёта выбираем именно характеристику, потому что для активного режима эти характеристики практически совпадают.

 

 

Рис. 2.4

 

Таким образом, транзистор будет работать в выбранном режиме при напряжении смещения:

U_БЭ0 =  0,75В      (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):

   (2.8)

Приращению базового тока соответствует приращение напряжения база-эмиттер, равное:

DU_БЭ =  20 мВ         (2.9)

 

 

Рис. 2.5

 

Параметр h_11Э, определяющий входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока, равен:

    (2.10)

h_11Э = 0,02/0,0001 = 200 Ом

На выходной ВАХ транзистора  также задаёмся приращением тока базы (рисунок 2.6):

   (2.11)

 

Рис. 2.6

 

Соответствующее приращение тока коллектора равно:

DI_k=5,2мA   (2.12)

 

Тогда параметр h21Э, т.е. коэффициент  передачи транзистора по току при  коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока, равен:

   (2.13)

h_21Э = 5,2мA/0,1мА = 52

Для определения следующего h-параметра задаёмся приращением  напряжения коллектор-эмиттер на выходной ВАХ транзистора (рисунок 2.7):

DU_КЭ =  2 В   (2.14)

        

 

 

Рис. 2.7

 

Соответствующее приращение тока коллектора составляет:

DI_k=0,9мA      (2.15)

Выходная проводимость транзистора при разомкнутом  входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи) – параметр h_22Э равен:

(2.16)

h_22Э = 0,9мA/2В = 0,045 мСм = 45 мкСм

 

Последний h-параметр – коэффициент  обратной связи по напряжению при  разомкнутом входе для переменной составляющей тока определяется по формуле  пересчета:

   (2.17)

где – значение тока эмиттера.

Так как ток эмиттера равен:

=  18 мА  - 0,4 мА = 17,6 мА(2.4)

то параметр имеет значение:

h_12Э =   12,5*45*10^-6/17,6*10^-3 = 0,032 (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.

 

Рис. 2.8

 

Значения конденсаторов  и равны ёмкостям коллекторного и эмиттерного переходов и находятся по справочнику:

   (2.20)

   (2.21)

Для расчёта сопротивлений резисторов необходимо определить сопротивление  эмиттерного перехода эмиттерному  току и крутизну вольт-амперной характеристики транзистора:

 

  = 25мВ/ 17,6 мА = 1,42 Ом(2.22)

  = 52/200 Ом =  0,26 А/В (2.23)

Сопротивление эмиттерного перехода базовому току рассчитываем по формуле:

 ^{= 1,42 Ом*52 = 73,8 Ом (2.24)}

Выходное сопротивление транзистора  равно:

  (2.25)

r_КЭ = 1/(45*10^-6См – 52*10^-6*0,26 А/В) = 32 кОм

Сопротивление коллекторного перехода:

 

r_КЭ = 52*1,42 Ом/0,032 =2307,5 Ом = 2,307 кОм (2.26)

 

И, наконец, последний параметр –  объёмное сопротивление базы: