Контрольная работа: Положительная и отрицательная обратные связи в работе биполярного транзистора

Положительная и отрицательная обратные связи в работе биполярного транзистора

Контрольная работа

Положительная и отрицательная обратные связи, в работе биполярного транзистора

Содержание

1. Термоэлектроника - основа работы полупроводниковых приборов

. Принцип работы биполярного транзистора. Схема с общей базой

. Принцип работы транзистора. Схема с общим эмиттером

. Исследование биполярного транзистора. Способ исследования потока тепла

. Опыт с биполярным транзистором, показывающий положительную обратную связь

Литература

. Термоэлектроника - основа работы полупроводниковых приборов

полупроводниковый биполярный транзистор эмиттер

Биполярный транзистор, это термоэлектронный прибор. Управление выходным током осуществляется через тепловой ток.

Что такое тепловой ток?

В веществе, в кристаллической решётке тепловым током может быть тепловое движение электронов (эстафетное движение), посредством которого осуществляется теплопередача.

Также тепловым током является свет. И некоторые PN-переходы светятся при протекании прямого тока - создают тепловой ток.

Тепловой ток в иерархии энергии является мощностью, и измеряется в Ваттах. Так, как существует две иерархии энергий: тепловая и механическая, то и мощности две: тепловая мощность и механическая мощность. Механическая мощность тепловым током не является.

Основной принцип работы транзистора заключается в том, что в нём имеется две полупроводниковые термопары.

Термопары бывают 3-х типов, в зависимости от физических свойств проводников и полупроводников. В современной физике существует зонная теория, которая тоже не соответствует истине. Но осталась терминология, которая позволяет нам различать вещества как с узкой запретной зоной и с широкой запретной зоной.

Термопары 1 -го типа - это проводники.

Если составить термопару из двух проводящих металлов, то мы получим две среды, между которыми есть малый составной термоэлектрический потенциал T*U. Этот потенциал определяется как тепловыми свойствами металлов, так и электрическими.

Металлы - проводники обладают безусловной термоэлектронной эмиссией, поэтому, когда мы соединим два различных металла в термопару, то электронное облако термоэлектронной эмиссии одного металла перейдёт на территорию другого. Оно как бы вытеснит эмиссию другого металла и на зажимах термопары возникнет термо-ЭДС. В том металле, термоэлектронная эмиссия которого переходит на территорию другого металла, электроны находятся в кристаллической решётке под более высоким давлением. Такой металл называется зоной P.

В зоне N электроны в кристаллической решётке находятся под более низким давлением, чем в зоне P.

Потому, при пропускании через термопару тока в прямом направлении ( электроны движутся из N в P), переход нагревается по законам термодинамики. Каждый электрон отдаёт излишек энергии в окружающую среду, а именно: ядрам атомов зоны N.

Если ток в термопаре сменить на обратный (электроны движутся из P в N), то переход охлаждается, так как каждый электрон забирает тепловую энергию у ядер атомов зоны P. Для того, чтобы существовал обратный ток, необходимо чтобы электронам поставлялась тепловая энергия.

Термопары 2-го типа - это термопары на основе висмута. Висмут обладает средними свойствами между проводниками и полупроводниками. У него узкая запретная зона. У проводников же считается, что запретной зоны нет. И потому у термопары из висмута и меди (или сурьмы) наиболее заметно проявляется эффект охлаждения. Термопары на основе висмута под воздействием разности температур становятся термогенераторами и позволяют получить гораздо большую термо-ЭДС, по сравнению с термопарами 1-го типа.

Термопары 3-го типа - это термопары на основе полупроводников, которые обладают широкой запретной зоной. Эти вещества ближе к изоляторам, потому их термоэлектронная эмиссия зависит от условий. Термоэлектронная эмиссия полупроводников называется условной термоэлектронной эмиссией. К веществам такого типа относятся кремний, германий. Обычно, создавая сплавы этих веществ, задавая примеси, можно получить два разных вещества с различным давлением электронов в кристаллических решётках.

Термопара из N и P полупроводников обычно не создаёт термо-ЭДС, если её переход нагреть. Это свойство возникает из-за широкой запретной зоны. Но если PN - переход осветить светом (т.е. воздействовать тепловым током), то термо-ЭДС возникнет.

При пропускании через PN-переход прямого тока, PN - переход греется, так, как электроны отдают излишек энергии.

При попытке включения обратного тока - обратного тока не будет, так, как электроны не могут забрать энергию у ядер атомов зоны P. Это свойство широкой запретной зоны. Но если электронам доставить тепловую энергию из вне, то обратный ток становится возможным. Именно на таком принципе построена работа биполярного транзистора. В биполярном транзисторе имеется управляемая термопара, которая находится в режиме обратного тока. Другая термопара (управляющая) находится в режиме прямого тока и излучает тепло. Как только тепло достигает запертой термопары, электроны её получают энергию, и протекает обратный ток. Таким образом работает биполярный транзистор.

Несмотря на то, что мы при объяснении применили термин "запретная зона", следует учесть, что никаких запретных зон не существует. Запретные зоны обычно рисуют в привязке к энергии (измеряется: джоуль, эрг, электроновольт) третьего уровня, что лишено всякого смысла. Вероятно, следует более детально разработать модель атома, отказавшись от ложной статистики запретных зон.

Рассмотрим работу биполярного транзистора более подробно.

. Принцип работы биполярного транзистора. Схема с общей базой

Самый главный вопрос, который содействовал созданию физики полупроводников это "каков принцип работы транзистора, как усилительного электронного прибора?". Создателям транзистора пришлось изобрести теорию, объясняющую явление увеличения выходного тока транзистора PNP-структуры при поступлении на его базу тока в отрицательной полярности.

Ответить на этот вопрос без применения термодинамической теории было просто невозможно. Тогда были изобретены "дырки" - ток электронов в валентной зоне. Подвижность "дырок" научились измерять…

И было придумано много такого, благодаря чему сегодня мы должны создавать физику полупроводников с нуля.

Понятие запрещённой зоны помогает классифицировать

PN-переходы на широкозонные и узкозонные. Но сама идея зонной теории базируется на несуществующих уровнях Ферми, которые невозможно измерить. Возможно, что зонную теорию тоже необходимо пересмотреть.

Квантовая теория к физике полупроводников вообще никакого отношения не имеет.

Так, как квантовую теорию разрабатывали в начале прошлого века, когда неправильно была разработана термодинамика (без теории теплового заряда), то сегодня она тоже нуждается в пересмотре.

Итак, главный вопрос - "каков принцип работы транзистора, как усилительного электронного прибора?" - должен изменить физику полупроводников.

Сначала изложим правила, по которым происходит энергообмен в PN-переходах. Правила:

. Вход энергии в PN-переход. ( Эффект Зеебека )

.1.Если в PN-переход поступает тепловая энергия в виде эстафетного тока электронов, то она преобразуется в ЭДС на

PN-переходе. При этом эстафетный ток преобразуется в инжекционный ток. Инжекционный ток имеет тепловую природу, поэтому не может быть вычислен по правилам Киргофа.

.2.Если входящая энергия создала ЭДС, то эта ЭДС создаёт в

PN-переходе прямой ток, по величине этот ток определяется вольт-амперной характеристикой прямого тока соответствующего

PN-перехода.

. Выход энергии из PN-перехода. ( Тепловой эффект Пельтье. )

.1.Если через PN-переход пропускать прямой ток, то на PN-переходе создаётся разность потенциалов (ЭДС) согласно вольт-амперной характеристики прямого тока этого перехода. При этом, электроны, проходящие через PN-переход в прямом направлении выделяют тепловую энергию.

.2.Если вблизи нет соседних PN-переходов (потенциальных барьеров), то энергия из PN-перехода выходит посредством эстафетных движений (токов) электронов - что соответствует тепловому току при теплопередаче.

Если поблизости от выделяющего тепловую энергию PN-перехода находится другой PN-переход, то он создаёт потенциальную яму - отбирает у эстафеты электрон для заполнения своего электрического барьера, тем самым превращает эстафетный ток в инжекционный. Инжекционный ток имеет тепловую природу и не подчиняется правилам Киргофа для электрической цепи. Инжекционный ток имеет направление в сторону потенциальной ямы - запертого PN-перехода.

. Вход энергии в запертый PN-переход. (Холодильный эффект Пельтье.)

.1.Энергия, входящая в запертый PN-переход способна реализовать электронное управление. При входе энергии в запертый PN-переход, сам PN-переход начинает работать сразу в 2-х режимах.

В нём создаётся ЭДС и протекает и прямой и обратный ток, согласно поступившей энергии. (Эффект Зеебека.)

Прямой и обратный токи в запертом переходе возникают из-за обратных связей - один из них является причиной другого.

Инжекционный ток несёт с собой тепловую энергию. Эта тепловая энергия поглощается в запертом PN-переходе и через переход совместно с прямым током протекает и обратный ток, равный по величине прямому току - это соответствует холодильному эффекту Пельтье. Величина ЭДС устанавливается согласно эмиссионному уравнению для прямого тока PN-перехода, и дополнительно она складывается с разностью потенциалов, создаваемой обратным током.

.2.Кроме энергии электронного управления, запертый PN-переход перехватывает все возможные другие поступающие энергии. В эти энергии входят следующие:

тепловой ток - световые волны.

энергия тепла (локальное тепло относительно температуры окружающей среды).

энергия тепла, возникающая при протекании электрического тока, при конвертировании энергии источника в тепло - это соответствует закону Джоуля-Ленца.

энергия обратного напряжения. Величина обратного напряжения определяет выходную мощность, и тем самым определяет ответный разогрев запертого перехода. Этот разогрев создаёт тепловой ток, который и определяет положительную обратную связь (ПОС). ПОС в биполярном транзисторе обозначают как эффект Эрли.

Все эти энергии участвуют в процессе управления обратным током.

Рассмотрим работу транзистора как термодинамического электронного прибора в схеме с Общей Базой.

Работу рассмотрим поэтапно, исследуя во времени 4 момента. Такое рассмотрение удобно для понимания термодинамического принципа работы транзистора. На самом деле - в реальности - транзистор включается в работу мгновенно. Итак, 4 момента во времени.

Рис. 1. Момент времени 1.

Момент 1. Включение цепи. Токи ещё не начались. Здесь на рисунке 1., транзистор показан в виде 3-х областей NPN, Rвх - входное сопротивление, принадлежащее цепи входного сигнала, Rн - сопротивление нагрузки ( или сопротивление для измерения токов коллектора ), Eб - источник напряжения, представляющий из себя входной сигнал. Eк - батарея цепи коллектора. Полярности включения Eб и Eк отмечены знаками "+" и "-".

Рис. 2. Момент времени 2.

Момент 2. Через переход База-Эмиттер протекает входной ток. В переходе База-Эмиттер возникает выход тепловой энергии в виде эстафетного тока электронов - обозначен двунаправленными стрелками. Эстафетный ток электронов возникает в том случае, если есть градиент температуры и происходит процесс теплопередачи. В данном случае переход База-Эмиттер теплее холодной потенциальной ямы перехода Коллектор-База. Вольтметр В1, подключенный к переходу База-Эмиттер показывает разность потенциалов (ЭДС), согласно вольт-амперной характеристики прямого тока перехода. В PN-переходе База-Эмиттер протекает прямой ток, обозначенный стрелками.

Рис. 3. Момент времени 3.

Момент 3. Эстафетный ток достиг потенциальной ямы - перехода База-Коллектор. У перехода База-Коллектор есть скрытый электрический барьер, который отрывает электрон от эстафеты, заряжая тем самым переход. В результате постоянного отрыва последнего электрона (достигшего перехода База-Коллектор), эстафетный ток преобразуется в инжекционный, направленный от перехода База-Эмиттер в сторону перехода База-Коллектор. Инжекционный ток имеет тепловую природу.

Скрытый электрический барьер перехода База-Коллектор начинает заряжаться, в переходе База-Коллектор возникает ЭДС (измеряется вольтметром В2). Соответственно этой ЭДС, согласно эмиссионному уравнению перехода База-Коллектор, через переход База-Коллектор протекает прямой ток - на схеме обозначен стрелками.

Рис. 4. Момент времени 4.

Момент 4. Электроны инжекционного тока приносят в переход энергию. Через PN-переход База-Коллектор начинает протекать обратный ток, согласно холодильному эффекту Пельтье. Величина обратного тока зависит от полученной энергии от перехода База-Эмиттер. Поэтому ток коллектора Ik не превышает Ib. Тепловая энергия, забираемая от перехода База-Эмиттер определяется резистором R_D. R_D. - это добавочное сопротивление в цепи База-Эмиттер. Оно определяет отрицательную обратную связь.

Вольтметр В2 показывает уже не ЭДС в чистом виде, некую сумму этой ЭДС и разности потенциалов, создаваемой обратным током. ЭДС прямого тока перехода База-Коллектор существует, и ток коллектора Ik без неё был бы невозможен. Усилитель по схеме с общей базой работает!

Если к коллектору приложить высокое напряжение (порядка 100 Вольт для кремниевых транзисторов), то это напряжение не попадёт на вывод эмиттера, по той простой причине, что у инжекционного тока природа - тепловая. Электроны инжекционного тока движутся в сторону коллектора из-за явления теплопередачи! Высокое напряжение коллектора не может повернуть их назад, так, как контуры тока - входного и выходного - ( по правилу Киргофа для электрических цепей ) разорваны.

При изготовлении транзистора, переход База-Коллектор делается более чувствительным к энергии, а значит - более управляемым.

Если рассмотреть эмиссионное уравнение для вольт-амперной характеристики PN-перехода,

 (19.33)

сразу заметна разница в значениях резистора R_D для перехода БЭ и перехода БК. Для транзистора КТ312В: величина R_D для перехода БЭ равна 1,06 Ом, величина R_D для перехода БК равна 0,4 Ом.

Переход БК более низкоомный, чем переход БЭ, и при одинаковых прямых токах переход БК менее нагревается, чем переход БЭ.

Параметр T_F эмиссионного уравнения - это температура холода - она показывает насколько холоднее зона P чем зона N при протекании тока. При этом, температура зоны N уравнивается с температурой окружающей среды.

Для перехода База-Коллектор параметр T_F немного выше, чем для перехода База-Эмиттер. Например, для транзистора КТ312В для перехода База-Эмиттер T_F = 608 Кельвин, для перехода База-Коллектор T_F = 626 Кельвин.

Точно также объясняется работа схемы с общей базы транзистора PNP-типа. Для инжекционного тока важно наличие горячего и холодного PN-переходов. А направление его движения определяется разностью их температур.

Переход База-Коллектор является холодным только при малых токах. При более больших токах, переход База-Коллектор сам становится излучателем тепла, что создаёт как отрицательную обратную связь, так и положительную.