bankin_iit_1

Рисунок 23

Полупроводниковый прибор, работа которого зависит от носителей заряда – электронов и дырок, отсюда название “биполярный”. Биполярные плоскостные транзисторы с точки зрения технологии также подразделяются на: дрейфовые, диффузионные, планарные сплавные, меза и др.

С точки зрения используемого полупроводникового материала транзисторы делятся на: германиевые, кремниевые и арсенидо–галиевые.

По сравнению с электронной лампой транзистор обладает следующими преимуществами: малые габариты, большой срок службы и большая надежность, высокая устойчивость к механическим ударам, низкое напряжение питания, отсутствие напряжения накала. Недостатки транзистора – ограниченные мощность и рабочее напряжение, большая чувствительность к изменению температуры и меньший диапазон рабочих температур, малая стойкость к коротким замыканиям и искрениям.

31

Рисунок 24

Биполярный плоскостной транзистор состоит из трех областей и двух переходов: p – n – p или n – p – n (рисунок 24)

Электроды транзистора Э, Б, К причем Э и К имеют одинаковый тип проводимости, а база разделяющая эммитер и коллектор – противополож-

ный.

В типичных условиях транзистор подключен к источнику постоянного тока таким образом, что переход эмиттер – база (эмиттерный переход [ЭП]) смещен в проводящем направлении, а переход коллектор–база (коллекторный переход [КП]) в обратном направлении. При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения происходит инжекция носителей заряда из эмиттера в базу, где они являются неосновными носителями. Движение дырок в процессе инжекции через ЭП создает ток эмиттера Э. Толщина базы очень мала, поэтому дырки в процессе диффузии оказываются вблизи коллектор-

ного перехода. Большая их часть не успевает рекомбинировать с электронами базы и втягивается ускоряющим электрическим полем в область коллектора. Происходит экстракция дырок под действием обратного напряжения из базы в коллектор (через КП). Движение дырок в процессе экстракции из базы в коллектор создает ток коллектора К.

Незначительная часть инжектируемых из эмиттера в базу дырок рекомбинирует в области базы с электронами, количество которых пополняется из внешней цепи источника ЭБ. За счет этого в цепи базы протекает ток базы Б. Он очень мал из–за небольшой толщины базы и малой концентрации основных носителей заряда–электронов. При этих условиях число рекомбинаций, определяющих величину тока базы невелико.

Ток коллектора К создают дырки, приходящие от эмиттера, его значение (несколько миллиампер) зависит непосредственно от напряжения смещения на переходе эмиттер–база (обычно 0,7 В) и мало зависит от напряжения,

сколько десятков микроампер), поэтому можно утверждать, что большой ток коллектора зависит от малого тока базы, т.е. малые изменения тока базы вы-

32

зывает большое изменение тока коллектора. На этом основаны усилительные свойства транзистора.

База является электродом, управляющим током через транзистор, т.к. меняя напряжение между базой и эмиттером, можно управлять плотностью тока – инжекцией, а, следовательно, и экстракцией.

Пример: Переход база–эмиттер смещен в положительном направлении СМ 0.5 1.0 В. Переход коллектор–база смещен в обратном направлении, для этого между коллектором и базой существует напряжение смещения около 10 – 20 В. Между базой и эмиттером находится источник управляемого синусоидального сигнала несколько десятков милливольт (рисунок 25, а,б).

Ток коллектора составляет обычно несколько миллиампер и при изменении тока базы в интервале нескольких десятков микроампер изменяется на несколько миллиампер. При сопротивлении нагрузки в цепи коллектора, равным нескольким килоомам, диапазон мгновенных изменений падения напря-

Коэффициент усиления по току, определяемый отношением изменений (приращений) токов т.е. несколько миллиампер для тока коллектора и не-

изведению, коэффициента усиления по напряжению на коэффициент усиления по току, будет равен нескольким тысячам 5000.

4.2 Схемы включения и статические характеристики

Так как транзистор, имеющий три внешних вывода, представляет собой четырехполюсник, то при включении транзистора в конкретную схему следует выделить его входную и выходную цепи. В связи с этим возможны три

33

схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ, рисунок 26, а) , с общим эмиттером (ОЭ, рисунок 26, б) и с общим коллектором (ОК, рисунок 26, в).

а) общая база б) общий эмиттер в) общий коллектор

Рисунок 26

Во всех трех случаях сохраняется рассматриваемый принцип действия транзистора, но свойства схем различны. Они также отличаются характеристиками и параметрами.

В любой схеме включения в каждой из двух цепей действует напряжение между двумя электродами и протекает ток: во входной цепи ВХ и ВХ, в выходной – ВЫХ и ВЫХ. Эти величины определяют режим работы транзистора и взаимно влияют друг на друга.

Характеристики, снятые без нагрузки, когда одна из величин поддерживается постоянной называют статическими. Совокупность характеристик, снятых при различных значениях этой постоянной величины, представляет собой семейство статических характеристик.

Наибольшее значение при выборе транзисторов имеют два вида характеристик – входные и выходные.

Входной характеристикой называют зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении

const

Вид характеристик транзистора зависит от способа его включения, но для схем ОЭ и ОК они практически одинаковы, поэтому пользуются обычно входными и выходными характеристиками для схем ОБ и ОЭ.

4.3. Статические характеристики транзистора с общей базой

Как видно по схеме входным электродом является эмиттер, а выходным коллектор. Поэтому ВХ это БЭ, а выхода КБ; входным током является ток эмиттера Э, а выходным – ток коллектора К.

Поскольку К Э, то выходной ток почти равен входному, так что схе-

ма ОБ практически не усиливает ток, а усиливает только напряжение и во столько же раз мощность сигнала.

34

Выходные характеристики транзистора включенного по схеме с ОБ (рисунок 27) , представляют собой зависимость тока коллектора от напряжения коллектор – база при постоянном токе эмиттера, поэтому их называют коллекторными.

ККБ при Э

а) выходные характеристики б) входные характеристики

Рисунок 27

ных носителей заряда, инжектированных в базу из эмиттера. Поэтому они переносятся электрическим полем из базы в коллектор и создают ток К, не

При увеличении коллекторного напряжения выше максимально допустимого возникает опасность электрического пробоя коллекторного перехода, который может перейти в тепловой пробой.

Входные характеристики транзистора включенного по схеме с ОБ,

прямой ветви ВАХ p – n перехода.

Этим объясняется очень малое входное сопротивление в схеме с ОБ.

ния на коллекторный переход, а следовательно на толщину базы. С увеличе-

процесс диффузии их от эмиттерного перехода, а следовательно и инжекция из эмиттера.

ливает и ток и напряжение и, следовательно дает очень большое усиление мощности сигнала.

Выходные характеристики транзистора по схеме с ОЭ, представляют

Рисунок 28

36

личается от коллекторных характеристик в схеме с ОБ. Все характеристики

базу и компенсируют поток таких же носителей заряда переходящих в кол-

осуществлялась более интенсивная рекомбинация их с основными носителя-

коллекторного напряжения выше максимального приводит

к пробою КП.

Входные характеристики транзистора по схеме ОЭ это базовые характеристики, представляют собой зависимость

БКЭ при КЭ

ствие расширения КП, за счет уменьшения толщины базы и числа рекомби-

рассмотренных семейств характеристик для практических расчетов представляет интерес еще две характеристики, проходная и прямой передачи.

Проходная характеристика – это зависимость выходного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. Для схемы с ОЭ

входных и выходных характеристиках. Она начинается не из начала коорди-

а) проходная характеристика б) прямой передачи

Рисунок 29

Характеристикой прямой передачи – называют зависимость выходного тока от входного. Для схемы с ОЭ это зависимость К от Б при постоянном напряжении КЭ. К Б при КЭ (рисунок 29,б)

C увеличением тока базы возрастает и ток коллектора, вначале медленно, а затем быстрее и практически линейно. На характеристики транзистора сильное влияние оказывает температура, характеристики располагаются выше. Влияние температуры в схеме ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ.

38

Основная причина перемещения характеристик вверх – значительное увеличение обратного тока коллекторного перехода, который в схеме с ОЭ увели-

чивается в десятки – сотни раз. Кроме того, усиление тока в схеме ОЭ также возрастает с ростом температуры.

4.5 Статические характеристики транзистора с общим коллектором

Таким образом, в схеме ОК практически не усиливается напряжение, а усиливается только ток; во столько же раз усиливается мощность сигнала.

Из–за отсутствия усиления напряжения, снимаемого с эмиттерной нагрузки, простейший усилитель, построенный по схеме ОК, называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление схемы ОК очень велико, так как ток базы протекает под действием небольшой разности напряжений

сятки килоом).

Выходное сопротивление схемы ОК, наоборот, очень мало: значительно меньше, чем в схемах ОБ и ОЭ.

При снятии статических характеристик источник усиливаемых колебаний и резистор нагрузки не включают. В этом случае схема ОК становится точно такой же, как схема ОЭ. Поэтому статические входные и выходные характеристики в этих двух схемах одинаковы.

4.6 Параметры транзисторов

Для оценки свойств транзисторов наряду с их характеристиками используют параметры. Различают две группы параметров: первичные и вто-

ричные.

К первичным относят собственные параметры транзистора, характеризующие его физические свойства (рисунок 30):

Э дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода в прямом направлении (единицы и десятки Ом)

Бобъемное сопротивление базы (сотни Ом)

Эемкость эмиттерного перехода (сотни пикофарад)

жима транзистора и могут быть определены как дифференциальные сопротивления для данной рабочей точки по статическим характеристикам транзистора в схеме ОБ; сопротивление эмиттерного перехода – по входной характеристике как отношение малого приращения напряжения эмиттера к вызванному им приращению тока эмиттера при постоянном напряжении кол-

выходной характеристике, как отношение приращения напряжения коллектора к вызванному им малому приращению тока коллектора при постоянном токе эмиттера: К ∆ К⁄∆ К при Э .

Рисунок 30

К параметрам транзистора относят также дифференциальные коэффициенты усиления тока в трех схемах включения. Учитывая их зависи-

мость от режима, коэффициенты усиления тока определяют как отношение приращения выходного тока к вызвавшему его малому приращению входно-

усиления тока, называют также коэффициентом передачи тока, в разных схемах включения транзистора связаны соотношениями:

1

ным характеристикам транзистора включения ОБ и ОЭ (рисунок 31).

40