2. Физические процессы в транзисторах

2.1. Биполярные транзисторы

2.1.1. Изобразите схемы включения с общей базой для транзисторов типов р-n-р и n-р-n. Покажите полярности питающих напряжений для случаев работы транзистора: а) в активном режиме; б) в режиме отсечки; в) в режиме насыщения; г) в инверсном режиме. На обеих схемах показать направления токов эмиттера I_Э, коллектора Iк, базы I_Б для всех режимов работы.

2.1.2. Транзистор типа р-n-р включен по схеме с общим эмиттером. Пояснить, в каком режиме работает транзистор, если: а) напряжение база-эмиттер U_БЭ = −0,4 В и напря­жение коллектор-эмиттер U_КЭ= - 0,3 В; б) напряжение U_БЭ = - 0,4 В и напряжение U_КЭ= - 10 В; в) напряжение U_БЭ = 0,4 В и напряжение U_КЭ= -10 В.

2.1.3. Транзистор типа n-р-n включен по схеме с общей базой. Напряжение эмиттер – база U_ЭБ = -0,5 В, напря­жение коллектор-база U_КБ=12 В. Определить напря­жение коллектор-эмиттер.

2.1.4. Транзистор типа р-n-р включен по схеме с общим эмиттером. Напряжение база - эмиттер U_БЭ = - 0,8 В, на­пряжение коллектор - эмиттер U_КЭ = -10 В. Определить напряжение коллектор-база.

2.1.5. Выводы электродов транзистора маркированы А, В, С. Токи, снимаемые с этих выводов в активном режиме транзистора, равны: I_а=1 мА, I_в=20 мкА, I_c=1,02 мА. Определить: а) с какими электродами транзистора соеди­нены выводы? б) чему равен коэффициент передачи посто­янного тока базы транзистора (обратный ток коллекторно­го перехода принять равным нулю)?

2.1.6. Нарисуйте энергетические диаграммы для р-n-р-транзистора в отсутствие напряжений между выводами и работающего в активном режиме. Покажите также распре­деление концентрации дырок в транзисторе и сопоставьте эту диаграмму с током коллектора. Объясните термины «эф­фективность эмиттера» и «коэффициент переноса» и выде­лите физические параметры, которые влияют на их значе­ния. Рассмотрите факторы, определяющие выбор концен­трации примесей для базовой и коллекторной областей.

2.1.7. На примере n-р-n-транзистора объясните принцип его действия. Что случится с транзистором, включенным в усилительный каскад, если его базу закоротить с эмит­тером?

2.1.8. Транзистор р-n-р работает в активном режиме. Ка­кие физические процессы определяют ток базы в транзи­сторе? Как следует изменить конструкцию транзистора, что­бы уменьшить различные компоненты тока базы? Если при постоянном напряжении эмиттер - база подается неболь­шой переменный сигнал, то какой механизм приводит к по­явлению дополнительной компоненты тока базы?

2.1.9. На примере р-n-р-транзистора укажите механизм прохождения тока через базу и назовите факторы, управляю­щие эмиттерным, базовым и коллекторным токами. Начер­тите диаграммы, показывающие зависимость концентрации неосновных носителей заряда в эмиттере, базе и коллекторе от расстояния.

2.1.10. Нарисуйте диаграмму, показывающую распределение электронной и дырочной составляющих токов в различных областях р-n-p-транзистора в активном режиме, и покажите, что ток базы I_Б = Iэ(1-)-I_кбо.

2.1.11. Какое влияние на эффективность эмиттера и коэффициент переноса оказывает увеличение удельной проводимости области базы в двух случаях: а) при пропорциональном изменении удельной проводимости эмиттерной области; б) при неизменной удельной проводимости эмиттерной области?

2.1.12. Объясните, почему при изменении удельной проводимости области базы изменяется коэффициент передачи тока эмиттера, даже если эффективность эмиттера поддерживается постоянной путем одновременного изменения удельной проводимости эмиттерной области.

2.1.13. Пользуясь семействами входных и выходных характеристик транзистора КТ104А для схемы с общим эмиттером (см. рис. 2.1, а и б), построить входные и выходные характеристики этого транзистора для схемы с общей базой.

2.1.14. В усилительном каскаде по схеме с общим эмиттером используется транзистор, имеющий следующие значения h-параметров: h_11Э = 800 Ом, h_21Э = 47, h_12Э = 5^.10^-4, h₂₂ = 80 мкСм. Найти выходное напряжение и выходное сопротивление этого каскада, если ЭДС источника входного напряжения E_вх = 10 мВ, внутреннее сопротивление источника входного напряжения R_г = 500 Ом и сопротивление резистора нагрузки в коллекторной цепи R_н = 5 кОм.

2.1.15. В усилительном каскаде по схеме с общим эмиттером используется транзистор, имеющий следующие значения h-параметров: h_11Э = 800 Ом, h_12Э = 5^.10^-4, h_21Э = 48, h_22Э = 80 мкСм. Найти выходную мощность, если ЭДС источника сигнала E_вх=100 мВ, внутреннее сопротивление источника сигнала R_г=500 Ом, сопротивление резистора нагрузки в коллекторной цепи R_н=8 кОм.

2.1.16. Транзистор, включенный по схеме с общей базой, имеет следующие значения h-параметров: h_11б = 18 Ом, h_12б = 8^.10^-4, h_21б = - 0,98, h_22б = 1,6^.10^-6 См. Определить коэффициент усиления каскада по мощности, если сопротивление резистора нагрузки в коллекторной цепи R_Н= 15 кОм.

а) б)

Рис. 2.1

2.1.17. Транзистор ГТ124A имеет следующие значения h-параметров: h_11б = 20 Ом, h _12б = 1,65^.10^-4, h_21б = - 0,99, h_22б = 0,85 мкСм. Определить входное сопротивление R_ВХ, выходное сопротивление R_ВЫХ коэффициенты усиления по току K_I , по напряжению К_U и по мощности К_р этого транзистора, включенного в схему с общим коллектором, если внутреннее сопротивление источника сигнала R_Г = 30 кОм, сопротивление резистора нагрузки R_Н= 1 кОм.

2.1.18. Транзистор, включенный в схему с общим коллектором, имеет следующие значения h-параметров: h_11К =22 кОм, h_12К =1, h_21К = - 31, h_22К = 23^.10^-6 См. Сопротивление резистора нагрузки в цепи эмиттера R_H=1 кОм, внутреннее сопротивление источника сигнала R_Г =10 кОм. Определить коэффициенты усиления по току К_I по напряжению Ки и по мощности Кр, входное сопротивление R_ВХ, выходное сопротивление R_ВЫХ.

2.1.19. Транзистор в схеме с общим эмиттером имеет следующие значения h-параметров: h_11Э = 2 кОм, h_12Э = 5,9^.10^-4, h_21Э = 60, h_22Э = 40 мкСм. Сопротивление резистора нагрузки R_H =30 кОм, внутреннее сопротивление источника сигнала R_Г = 2 кОм. Определить входное сопротивление R_ВХ, выходное сопротивление R_ВЫХ, коэффициенты усиления по току K_I, по напряжению К_U и по мощности К_Р.

2.1.20. В схеме с общей базой транзистор ГТ124A в рабочей точке при I_э=3 мА и U_KБ=3 В имеет следующие значения h-параметров: h_11Б = 20 Ом, h_12Б = 1,8^.10^-4, h_21Б = - 0,99, h_22Б = 1 мкСм. Определить входное сопротивление R_BX, выходное сопротивление R_ВЫХ, коэффициенты усиления по току K_I, по напряжению К_U и по мощности К_р этого транзистора, включенного в схему усилителя с общим эмиттером, если сопротивление резистора нагрузки R_H = 1кОм, внутреннее сопротивление источника сигнала R_Г = 1,5 кОм.

2.1.21. Для условий, сформулированных в задаче № 2.1.20, определить: а) в каких пределах будет изменяться входное сопротивление транзисторного каскада, если сопротивление нагрузки изменяется от 0 до ∞; б) в каких пределах будет изменяться выходное сопротивление при изменении входного сопротивления от 0 до ∞.

2.1.22. Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, в рабочей точке при I_Э = 5 мА и U_К = 5 В имеет следующие значения h-параметров: h_11э = 1,6 кОм, h_12э = 5^.10^-4, h_21э =115, h_22э =160 мкСм. Определить входное сопротивление R_BX, выходное сопротивление R_ВЫХ, коэффициенты усиления по току K_I, по напряжению К_U и по мощности К_р этого транзистора, включенного в схему с общей базой, если внутреннее сопротивление источника сигнала R_Г = 500 Ом и сопротивление резистора нагрузки R_H=10 кОм.

2.1.23. Пользуясь справочником, определить: а) какой максимальный ток можно допустить в цепи коллектора транзистора П416 при комнатной температуре, если напряжение на коллекторе равно 10В; б) какое максимальное напряжение возможно на коллекторе при токе в цепи кол­лектора 15 мА.

а) б)

Рис. 2.2

2.1.24. Транзистор КТ104А, характеристики которого даны на рис. 2.2, а и б, включен в схему усилителя с общей базой. Напряжение коллекторного источника равно 10 В, сопротивление резистора нагрузки в цепи коллектора R_H= 0,2 кОм. В режиме покоя ток эмиттера I_э0 = 3 мА. При подаче сигнала ток эмиттера изменяется по закону I_э = (3±2sinωt) мА. Требуется: а) определить координаты рабочей точки; б) нарисовать временные диаграммы напря­жения коллектор-база U_KБ , тока коллектора I_к, напряжения эмиттер-база U_ЭБ , тока эмиттера I_Э и определить максимальное и минимальное значения этих величин.

2.1.25. Транзистор КТ104А, характеристики которого даны на рис.2.1, включен в схему с общим эмиттером. Напряжение коллекторного источника равно 10 В, сопротивление резистора нагрузки в цепи коллектора R_Н=1 кОм, ток покоя базы I_Б0 =300 мкА. Требуется: а) определить амплитуды переменных составляющих коллекторного тока I_mK, напряжения коллектор-эмиттер U_mКЭ и напряжения база-эмиттер U_mБЭ, если на вход подается сигнал вида I_Б= (300± 100 sin ωt) мкА; б) изобразить временные диаграммы напряжения коллектор-эмиттер U_КЭ, база-эмиттер U_БЭ, тока базы I_Б и тока коллектора I_К.

2.1.26. Транзистор КТ104А работает в режиме нагрузки в схеме с общим эмиттером при напряжении коллекторного источника, равном 16В, напряжении коллектор-эмиттер U_КЭ0= -7,5В и токе базы I_Б0= 600 мкА. Пользуясь семейством выходных характеристик транзистора, взятым из справочника, определить сопротивление резистора нагрузки в цепи коллектора и падение напряжения на нем.

2.1.27. Транзистор ГТ124А включен в усилительный каскад по схеме с общей базой. Напряжение источника Е_К = - 20В, сопротивление резистора нагрузки R_H=1 кОм, постоянная составляющая тока эмиттера I_Э0=10 мА, амплитуда переменой составляющей тока эмиттера I_mЭ=5 мА. Пользуясь характеристиками изображенными на рис. 2.3, определить I_ко, U_КБ0, I_mK, U_mKБ=U_mR, P_ВЫХ, Р₀, η, Р_K0, К_I.

Задачи с примерами решений

2.1.28. Концентрации примесей в базе, эмиттере и коллекторе некоторого транзистора р-n-р и ширина базы контролируются так, что только 1% дырок, инжектируемых из эмиттера, теряется при рекомбинации в базе. Пренебрегая токами утечки, найти коэффициент передачи тока эмиттера, эффективность эмиттера, коэффициент переноса, если электронная составляющая тока эмиттера I_nэ = 0,01Iэ (коэффициент умножения в коллекторном переходе принять равным единице).

Решение. Эффективность эмиттера (коэффициент инжекции)

Коэффициент переноса

Коэффициент передачи тока эмиттера

,

где коэффициент умножения М=1.

Следовательно, = 0,99 ^. 0,99 ^. 1=0,98.

2.1.29. Сплавной транзистор типа p-n-p включен в схему, изображённую на рис.2.4. Определить коллекторный ток, если известно, что коэффициент передачи тока эмиттера транзистора =0,98 и обратный ток коллекторного перехода I_КБ0 = 10 мкА.

Рис. 2.3 Рис.2.4

Решение. Воспользуемся известным соотношением для токов транзистора в активном режиме: I_К= I_Э + I_КБ0. Поскольку цепь базы разорвана, то I_К= I_Э .Исключив из уравнения I_Э , получим

I_К= I_К + I_КБ0 или I_К(1-) = I_КБ0.

Откуда

I_К= I_КБ0 /(1-)= I_КБ0 (1+).

Этот ток обозначается символом I_КЭ0 и называется обратным током коллектор-эмиттер при разомкнутом выводе базы.

Подставляя числовые значения, данные в условии задачи, получаем:

I_КЭ0 = 10/(1-0,98) = 500 мкА.

Этот ток в 1+раз больше обратного тока коллектора I_КБ0 . Большое значение тока I_КЭ0 снижает устойчивость работы транзистора в схеме с общим эмиттером и может привести к тепловому пробою. Поэтому при эксплуатации транзисторов не допускается отключение или разрыв цепи базы при наличии напряжения на других электродах.

В этой задаче, кроме того, дан очень простой и точный способ измерения коэффициента передачи тока эмиттера . Если в начале измерить обратный ток коллекторного перехода I_КБ0 (включая батарею между коллектором и базой), а затем измерить коллекторный ток, используя схему изображённую на рис.2.4, то можно непосредственно определить 1-.

2.1.30. На рис.2.5, а и б, изображены входные и выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером. Требуется построить характеристику передачи тока I_К = f(I_Б) при U_КЭ = -5 В=const и характеристику передачи I_К = f(U_БЭ) при U_КЭ = -5 В=const.

б)

а)

Рис. 2.5

Решение. Первая кривая – зависимость I_К = f(I_Б) при U_КЭ = -5 В=const строится по точкам А,Б,В,Г,Д,Е, которые являются точками пересечения вертикали для U_КЭ = -5 В с выходными характеристиками для разных токов базы I_Б . Эту кривую можно построить на графике входной характеристики, если по оси ординат отложить I_К , а по оси абсцисс I_Б . (рис.2.5).

Вторая кривая строится с помощью имеющихся входной и выходной характеристик. Например, при напряжении коллектор-эмиттер U_КЭ = -5 В, ток базы I_Б = 200 мкА соответствует на входной характеристике напряжению U_БЭ = -225 мВ, а на выходной – току I_К = 3,9 мА. Поэтому в системе координат I_К - U_БЭ наносим точку с этими координатами (3,9 мА; 225 мВ).

Аналогично находим другие точки, по которым строим кривую.

Для удобства можно составить таблицу (для U_КЭ = -5 В):

Таблица 4

IБ , мкА	100	200	300	400	600
|UБЭ|, мВ	180	225	245	265	288
IК , мкА	2,0	3,9	5,7	7,4	10,5
Точки	А	Б	В	Г	Д

Из построенных характеристик передачи отчётливо видно, что кривая I_К = f(I_Б) близка к линейной, а кривая I_К = f(U_БЭ) в нижней части резко нелинейна.

2.1.31. Транзистор имеет следующие параметры: h_11э = 1,4 кОм, h_21э = 45, h_12э = 4,3.10^-4, h_22э = 18 мкСм. Он используется в схеме усилителя с общим эмиттером. Сопротивление резистора нагрузки R_н=16 кОм, внутреннее сопротивление источника сигнала R_Г = 300 Ом. Определить входное сопротивление R_ВХ, выходное сопротивление R_ВЫХ, коэффициенты усиления по току K_I, по напряжению К_U и по мощности K_p.

Решение. Схема замещения усилителя на транзисторе для малых сигналов изображена на рис.2.6, а. Примем ĺ_Б =ĺ₁ , ĺк=ĺ₂. Из рисунка следует, что для входной и вы­ходной цепей справедливы следующие уравнения:

_а)

_б)

_{Рис. 2.6}

_(2.1)

_(2.2)

_(2.3)

Умножив левую и правую части уравнения (2.1) на h_21Э,

а левую и правую части уравнения (2.3) на h_11э получим:

(2.4)

(2.5)

Вычитая (2.4) из (2.5), получаем:

(2.6)

где h_11Эh_22Э - h_12Э h_21Э = Δh – детерминант матрицы.

Из (2.3)

(2.7)

подставив (2.7) в (2.6), получим:

.

Следовательно,

= .

Для определения коэффициента усиления по току К_I подставим (2.3) в (2.2), тогда

, (2.8)

или

, (2.9)

откуда

(2.10)

Выходное сопротивление определим из схемы на рис.2.6,б. В этой схеме R_Г - внутреннее сопротивление источника сигнала. Из анализа схемы следует:

; (2.11)

. (2.12)

Умножив (2.11) на h_21Э и (2.12) на (R_Г + h_11Э), получим:

(2.13)

(2.14)

Вычитая (2.13) из (2.14), получаем:

,

откуда

=

= .

Определим R_BX. Подставив (2.3) в (2.1), получим:

. (2.15)

Из (2.9) найдем:

. (2.16)

Подставив это уравнение в (2.15), получим:

.

Следовательно,

.

Полное входное сопротивление с учетом внутреннего сопро­тивления источника колебаний R^’_ВХ = R_Г + R_ВХ = 300+1160 = 1460 Ом.

Коэффициент усиления по мощности

K_P = |K_IK_U| = 485 ^. 34,9 = 17000 .