42994

Устройство плоскостного биполярного транзистора

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Движение электронов и дырок в транзисторах типа npn и pnp Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе см. участка база эмиттер U6э существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь...

Русский

2013-11-03

1.86 MB

9 чел.

2. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

2.1 ВВЕДЕНИЕ.

В числе электропреобразовательных полупроводниковых приборов, т.е. приборов, служащих для преобразования электрических величин, важное место занимают транзисторы. Наиболее распространены транзисторы, называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рис. 1. Он представляет собой пластину кремния, или германия, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n-p-n, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью. Менее широко применяются транзисторы типа p-n-p, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.

Рис. 1. Принцип устройства плоскостного транзистора

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n-p перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, коллектора и эмиттера сделаны выводы.

Транзистор может работать в трёх режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является

основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режим отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.

2.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА.

Рассмотрим как работает транзистор n-p-n типа в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных  питающих напряжений E1 и E2. (рис. 2.). полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

           а)                                                        б)

Рис.2. Движение электронов и дырок в транзисторах типа n-p-n и p-n-p

Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало  и  для  получения  нормального тока в этом переходе достаточно напряжения  E1  в десятые доли вольта. Сопротивление  коллекторного перехода велико, и напряжение E2 обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 2,а видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью

Uк-э = Uк-6 + U6-э

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда U6-э « Uк-6 и, следовательно, Uк-э  Uк-6. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе (см. рис. 3), А вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база — эмиттер (U6-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение U6-э , т.е. входное напряжение, управляет током  коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Рис.3. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения U6-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход - ток эмиттера iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+ » и «-». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомби-нируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока iб. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

iэ = iк + iб

Ток базы является бесполезным и дaжe вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно iб составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т. е. iб « iэ следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать iк  iэ. Именно для того, чтобы ток iб был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из p-области и дырок из n-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток коллектора iк.

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжещия носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмит-терный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока:

iэ = iк + iб.

Важное свойство транзистора - приблизительно линейная зависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п-р-п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р-п-р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис. 2,6). В транзисторе типа р-п-р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая приведена на рис. 4 для транзистора типа п-р-п. Эту диаграмму удобно использовать для создания механической модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение U6-э, тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогичные электронам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем ускоренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще ряд явлений.

Рис. 4. Потенциальная диаграмма транзистора

Существенно влияет на работу транзисторов сопротивление базы rб0,     т. е. сопротивление, которое база оказывает току базы iб. (Ноль в индексе здесь означает, что данная величина относится к постоянному току.) Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллектор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока iк, ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы rб0 (его называют поперечным) достигает сотен ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение U6-э между выводами базы и эмиттера, так как часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления rб0 можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 5.

Рис. 5. Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

На этой схеме rб0 - сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода  эмиттерной  области.   Значение rб0 у маломощных транзисторов достигает десятков   ом.   Это   вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы   миллиампер. У более мощных  транзисторов iэ0 больше и rэ0 соответственно меньше. Сопротивление rэ0 определяется формулой (в омах)

rэ0  25/iэ,

где ток iэ выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора rк0 представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоом. В него входит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис. 5 является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов. Тем не менее эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (главным образом результат ударной ионизации). Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробой коллекторного перехода в транзисторе происходит в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, т. е. без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части, получило название вторичного пробоя.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор-база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием неосновных носителей заряда е базе.

В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзистора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.

!!!!! Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттер-ном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током iк.упр. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

iк.упр = iэ,

где - коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе  к 1. Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток iк0 (рис. 6), называемый еще начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

iк = iэ + iк0.

Во многих случаях iк0 « iэ и можно считать, что iк iэ. Если надо измерить iк0, это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при iэ = 0 ток iк = iк0.

Преобразуем выражение (4.6) так чтобы выразить зависимость тока iк от тока базы iб. Заменим iэ суммой (iк+ iб):

iк=(iк+ iб)+ iк0.

Рис. 6. Токи в транзисторе

Решим это уравнение относительно iк. Тогда получим

iк =iб + .

Обозначим

= и =iк-э0

и напишем окончательное выражение

                                                      iк =iб + iк-э0                              (*)

Здесь - коэффициент передачи тока базы и составляет несколько десятков. Например, если = 0,95, то

,

а если = 0,99, т.е. увеличился на 0.04, то

,

т.е.  увеличился в пять с лишним раз!

Таким образом, незначительные изменения  приводят к большим изменениям . Коэффициент , так же как и , относится к важным параметрам транзистора. Если известен , то можно определить  по формуле

.

Следует заметить, что коэффициент  не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах  уменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. В пределах рабочих значений тока эмиттера  изменяется сравнительно мало.

Коэффициент  изменяется в зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент . При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент  максимален, а при меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.

Ток iк-э0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если iб = 0, т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (*) при iб = 0 получаем iк = iк-э0. Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора iк0. Ток iк- iк-э0 = iк0/(1-), и, зная, что /(1 — ) = , нетрудно найти iк-э0= (+ 1)iк0. А так как »1, то

iк-э0 iк0.

Сравнительно большой ток iк-э0  объясняется тем, что некоторая часть напряжения Uк-э приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения Uк-э ток iк-э0  резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что, если Uк-э не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения Uк-э, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток iэ, и равный ему ток iк, на коллектор ный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток iк-э0, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.

2.3.ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Вместо слов «с общим» иногда говорят «с заземленным», хотя заземление бывает не всегда. Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах, конечно, одинаков, но свойства схем различны.

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема, изображенная на рис. 7, является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.

Рис. 7. Схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером

Коэффициент усиления по току kt такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то kt составляет десятки единиц.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме ОЭ характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока) для схемы ОЭ, обозначаемый . Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки (Rн = 0), т. е. при постоянном напряжении участка коллектор-эмиттер:

=iк/iб  при Uк-э = const

Коэффициент  бывает равен десяткам и даже сотням, а реальный коэффициент усиления по току каскада ki  всегда меньше, чем , так как при включении нагрузки Rн  ток iк уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению ku равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база-эмиттер Uб-э, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки UR или, что все равно, между коллектором и эмиттером - Uк-э:

ku = Um вых / Um вх = UmR / Um б-э = Um к-э / Um б-э.

Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника E2 достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому ku имеет значение от десятков до сотен.

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности ku получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

Pвых = 0,5Im вых Um вых = 0,5Imk Um к-э;

Pвх = 0,5Im вх Um вх = 0,5Imб Um б-э ,

поэтому

kp = Pвых / Pвх = Im вых Um вых / Im вх Um вх = kiku.

Важная величина, характеризующая транзистор,- его входное сопротивление Rвх , которое определяется по закону Ома. Для схемы ОЭ

Rвх = Um вх / Im вх = Um б-э / Imб

и  составляет  от  сотен   ом  до   единиц килоом.

Это вытекает из того, что при Um б-э, равном десятым долям вольта, ток Imб транзисторов малой и средней мощности может быть до десятых долей миллиампера.При этом, входное сопротивление получается сравнительно малым. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление транзистора при включении его по схеме ОЭ, как будет показано далее, составляет от единиц до десятков килоом.

Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинство схемы ОЭ - удобство питания её от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

Недостатки данной схемы — худшие по сравнению  со  схемой   ОБ  частотные и температурные свойства.  С  повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается в значительно большей степени, нежели в схеме ОБ. Режим работы схемы ОЭ сильно зависит от температуры.

Схема с обшей базой (ОБ). Хотя эта схема (рис. 8) дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивле-ние, чем схема ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частот-ным и температурным свойствам она значительно лучше схемы ОЭ.

Рис.  8. Включение  транзистора  по  схеме с общей базой

Коэффициент усиления по току каскада ОБ всегда несколько меньше единицы:

ki = Imк / Imэ  1,

так  как  ток   коллектора  всегда  лишь немного меньше тока эмиттера.

Как мы знаем, важнейший параметр транзисторов — статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока), для схемы ОБ обозначаемый . Он определяется для режима без нагрузки (Rн = 0), т. е. при постоянстве напряжения коллектор-база:

= iк /iэ при Uк-б = const.

Коэффициент  всегда меньше 1, и чем ближе он к 1, тем лучше тран-зистор. Коэффициент усиления по току ki для каскада ОБ всегда немного меньше , так как при включении Rн ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой

ku = Um к-б / Um э-б ;

он получается таким же, как и в схеме ОЭ, т. е. равным десяткам или сотням.

Действительно, если в схемах ОЭ и ОБ транзисторы, входные напряжения, питающие напряжения и сопротивления резисторов нагрузки одинаковы, то коллекторный ток практически один и тот же и, следовательно, выходные напряжения также одинаковы. Поскольку, коэффициент усиления по мощности kp равен произведению kiku ,a ki  1, то kp примерно равен ku , т. е. десяткам или сотням.

Входное сопротивление для схемы ОБ

Rвх = Um э-б / Imэ ;

оно получается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ.

Это видно из того, что напряжение Um э-б равно напряжению Um б-э , а ток Imэ в десятки раз больше тока Imб . Входное сопротивление для схемы ОБ - всего лишь десятки, а у более мощных транзисторов даже единицы ом . Такое малое Rвх является , существенным недостатком схемы ОБ. Выходное сопротивление, в этой схеме получается до сотен килоом.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Следует отметить, что каскад по схеме ОБ вносит при усилении меньшие искажения, нежели каскад по схеме ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). В этой схеме (рис. 9) действительно коллектор является общей точкой' входа и выхода, поскольку источники питания E1 и E2 всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми.

Рис. 9. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер Uб-э и выходного напряжения:

Uвх = Uб-э + Uвых .

Коэффициент усиления по току каскада ОК почти такой же, как и в схеме

ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Действительно,

ki = Imэ / Imб = (Imк + Imб) / Imб = Imк / Imб +1,

а отношение Imк / Imб есть коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

Однако коэффициент усиления по напряжению   близок   к   единице,   причем всегда меньше её:

ku = Um вых / Um вх = Um вых / (Um б-э + Um вых) < 1.

Напряжение Um б-э не более десятых долей вольта, a Um вых  при этом составляет единицы вольт, т. е. Um б-э « Um б-э . Следовательно, ku  1. Надо отметить, что переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз, так же как и в схеме ОЭ, но весь каскад не дает усиления. Коэффициент усиления по мощности, очевидно, равен примерно  ki , т. е. нескольким десяткам.

Фазового сдвига между Uвых и Uвх  нет. Таким образом, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. Иначе говоря, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в провод эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса).

Входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Действительно,

Rвх = Um вх / Im вх = (Um б-э + Um вых) / Imб .

Отношение Um б-э / Imб есть входное сопротивление самого транзистора для схемы ОЭ, которое, как известно, достигает единиц килоом. А так как  Um вых в десятки раз больше Um б-э , то и Rвх в десятки раз превышает входное сопротивление схемы ОЭ. Выходное сопротивление в схеме ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом.

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения транзисторов сведены в табл. 1.

Таблица 1. Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Параметр

Схема ОЭ

Схема ОБ

Схема ОК

ki

Десятки - сотни

Немного меньше   единицы

Десятки - сотни

ku

Десятки - сотни

Десятки - сотни

Немного меньше единицы

kp

Сотни - десятки тысяч

Десятки - сотни

Десятки - сотни

Rвх

Сотни ом - единицы килоом

Единицы - десятки   ом

Десятки - сотни   килоом

Rвых

Единицы - десятки килоом

Сотни килом -  единицы мегаом

Сотни ом - единицы килоом

Фазовый сдвиг

между Uвых и U вх

180°

0

0

2. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

2.1 ВВЕДЕНИЕ.

В числе электропреобразовательных полупроводниковых приборов, т.е. приборов, служащих для преобразования электрических величин, важное место занимают транзисторы. Наиболее распространены транзисторы, называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рис. 1. Он представляет собой пластину кремния, или германия, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n-p-n, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью. Менее широко применяются транзисторы типа p-n-p, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.

Рис. 1. Принцип устройства плоскостного транзистора

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n-p перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, коллектора и эмиттера сделаны выводы.

Транзистор может работать в трёх режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является

основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режим отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.

2.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА.

Рассмотрим как работает транзистор n-p-n типа в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных  питающих напряжений E1 и E2. (рис. 2.). полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

           а)                                                        б)

Рис.2. Движение электронов и дырок в транзисторах типа n-p-n и p-n-p

Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало  и  для  получения  нормального тока в этом переходе достаточно напряжения  E1  в десятые доли вольта. Сопротивление  коллекторного перехода велико, и напряжение E2 обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 2,а видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью

Uк-э = Uк-6 + U6-э

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда U6-э « Uк-6 и, следовательно, Uк-э  Uк-6. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе (см. рис. 3), А вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база — эмиттер (U6-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение U6-э , т.е. входное напряжение, управляет током  коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Рис.3. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения U6-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход - ток эмиттера iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+ » и «-». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомби-нируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока iб. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

iэ = iк + iб

Ток базы является бесполезным и дaжe вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно iб составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т. е. iб « iэ следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать iк  iэ. Именно для того, чтобы ток iб был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из p-области и дырок из n-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток коллектора iк.

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжещия носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмит-терный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока:

iэ = iк + iб.

Важное свойство транзистора - приблизительно линейная зависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п-р-п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р-п-р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис. 2,6). В транзисторе типа р-п-р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая приведена на рис. 4 для транзистора типа п-р-п. Эту диаграмму удобно использовать для создания механической модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение U6-э, тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогичные электронам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем ускоренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще ряд явлений.

Рис. 4. Потенциальная диаграмма транзистора

Существенно влияет на работу транзисторов сопротивление базы rб0,     т. е. сопротивление, которое база оказывает току базы iб. (Ноль в индексе здесь означает, что данная величина относится к постоянному току.) Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллектор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока iк, ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы rб0 (его называют поперечным) достигает сотен ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение U6-э между выводами базы и эмиттера, так как часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления rб0 можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 5.

Рис. 5. Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

На этой схеме rб0 - сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода  эмиттерной  области.   Значение rб0 у маломощных транзисторов достигает десятков   ом.   Это   вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы   миллиампер. У более мощных  транзисторов iэ0 больше и rэ0 соответственно меньше. Сопротивление rэ0 определяется формулой (в омах)

rэ0  25/iэ,

где ток iэ выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора rк0 представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоом. В него входит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис. 5 является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов. Тем не менее эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (главным образом результат ударной ионизации). Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробой коллекторного перехода в транзисторе происходит в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, т. е. без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части, получило название вторичного пробоя.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор-база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием неосновных носителей заряда е базе.

В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзистора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.

!!!!! Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттер-ном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током iк.упр. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

iк.упр = iэ,

где - коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе  к 1. Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток iк0 (рис. 6), называемый еще начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

iк = iэ + iк0.

Во многих случаях iк0 « iэ и можно считать, что iк iэ. Если надо измерить iк0, это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при iэ = 0 ток iк = iк0.

Преобразуем выражение (4.6) так чтобы выразить зависимость тока iк от тока базы iб. Заменим iэ суммой (iк+ iб):

iк=(iк+ iб)+ iк0.

Рис. 6. Токи в транзисторе

Решим это уравнение относительно iк. Тогда получим

iк =iб + .

Обозначим

= и =iк-э0

и напишем окончательное выражение

                                                      iк =iб + iк-э0                              (*)

Здесь - коэффициент передачи тока базы и составляет несколько десятков. Например, если = 0,95, то

,

а если = 0,99, т.е. увеличился на 0.04, то

,

т.е.  увеличился в пять с лишним раз!

Таким образом, незначительные изменения  приводят к большим изменениям . Коэффициент , так же как и , относится к важным параметрам транзистора. Если известен , то можно определить  по формуле

.

Следует заметить, что коэффициент  не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах  уменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. В пределах рабочих значений тока эмиттера  изменяется сравнительно мало.

Коэффициент  изменяется в зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент . При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент  максимален, а при меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.

Ток iк-э0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если iб = 0, т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (*) при iб = 0 получаем iк = iк-э0. Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора iк0. Ток iк- iк-э0 = iк0/(1-), и, зная, что /(1 — ) = , нетрудно найти iк-э0= (+ 1)iк0. А так как »1, то

iк-э0 iк0.

Сравнительно большой ток iк-э0  объясняется тем, что некоторая часть напряжения Uк-э приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения Uк-э ток iк-э0  резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что, если Uк-э не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения Uк-э, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток iэ, и равный ему ток iк, на коллектор ный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток iк-э0, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.

2.3.ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Вместо слов «с общим» иногда говорят «с заземленным», хотя заземление бывает не всегда. Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах, конечно, одинаков, но свойства схем различны.

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема, изображенная на рис. 7, является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.

Рис. 7. Схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером

Коэффициент усиления по току kt такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то kt составляет десятки единиц.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме ОЭ характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока) для схемы ОЭ, обозначаемый . Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки (Rн = 0), т. е. при постоянном напряжении участка коллектор-эмиттер:

=iк/iб  при Uк-э = const

Коэффициент  бывает равен десяткам и даже сотням, а реальный коэффициент усиления по току каскада ki  всегда меньше, чем , так как при включении нагрузки Rн  ток iк уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению ku равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база-эмиттер Uб-э, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки UR или, что все равно, между коллектором и эмиттером - Uк-э:

ku = Um вых / Um вх = UmR / Um б-э = Um к-э / Um б-э.

Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника E2 достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому ku имеет значение от десятков до сотен.

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности ku получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

Pвых = 0,5Im вых Um вых = 0,5Imk Um к-э;

Pвх = 0,5Im вх Um вх = 0,5Imб Um б-э ,

поэтому

kp = Pвых / Pвх = Im вых Um вых / Im вх Um вх = kiku.

Важная величина, характеризующая транзистор,- его входное сопротивление Rвх , которое определяется по закону Ома. Для схемы ОЭ

Rвх = Um вх / Im вх = Um б-э / Imб

и  составляет  от  сотен   ом  до   единиц килоом.

Это вытекает из того, что при Um б-э, равном десятым долям вольта, ток Imб транзисторов малой и средней мощности может быть до десятых долей миллиампера.При этом, входное сопротивление получается сравнительно малым. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление транзистора при включении его по схеме ОЭ, как будет показано далее, составляет от единиц до десятков килоом.

Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинство схемы ОЭ - удобство питания её от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

Недостатки данной схемы — худшие по сравнению  со  схемой   ОБ  частотные и температурные свойства.  С  повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается в значительно большей степени, нежели в схеме ОБ. Режим работы схемы ОЭ сильно зависит от температуры.

Схема с обшей базой (ОБ). Хотя эта схема (рис. 8) дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивле-ние, чем схема ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частот-ным и температурным свойствам она значительно лучше схемы ОЭ.

Рис.  8. Включение  транзистора  по  схеме с общей базой

Коэффициент усиления по току каскада ОБ всегда несколько меньше единицы:

ki = Imк / Imэ  1,

так  как  ток   коллектора  всегда  лишь немного меньше тока эмиттера.

Как мы знаем, важнейший параметр транзисторов — статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока), для схемы ОБ обозначаемый . Он определяется для режима без нагрузки (Rн = 0), т. е. при постоянстве напряжения коллектор-база:

= iк /iэ при Uк-б = const.

Коэффициент  всегда меньше 1, и чем ближе он к 1, тем лучше тран-зистор. Коэффициент усиления по току ki для каскада ОБ всегда немного меньше , так как при включении Rн ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой

ku = Um к-б / Um э-б ;

он получается таким же, как и в схеме ОЭ, т. е. равным десяткам или сотням.

Действительно, если в схемах ОЭ и ОБ транзисторы, входные напряжения, питающие напряжения и сопротивления резисторов нагрузки одинаковы, то коллекторный ток практически один и тот же и, следовательно, выходные напряжения также одинаковы. Поскольку, коэффициент усиления по мощности kp равен произведению kiku ,a ki  1, то kp примерно равен ku , т. е. десяткам или сотням.

Входное сопротивление для схемы ОБ

Rвх = Um э-б / Imэ ;

оно получается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ.

Это видно из того, что напряжение Um э-б равно напряжению Um б-э , а ток Imэ в десятки раз больше тока Imб . Входное сопротивление для схемы ОБ - всего лишь десятки, а у более мощных транзисторов даже единицы ом . Такое малое Rвх является , существенным недостатком схемы ОБ. Выходное сопротивление, в этой схеме получается до сотен килоом.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Следует отметить, что каскад по схеме ОБ вносит при усилении меньшие искажения, нежели каскад по схеме ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). В этой схеме (рис. 9) действительно коллектор является общей точкой' входа и выхода, поскольку источники питания E1 и E2 всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми.

Рис. 9. Включение транзистора по схеме с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер Uб-э и выходного напряжения:

Uвх = Uб-э + Uвых .

Коэффициент усиления по току каскада ОК почти такой же, как и в схеме

ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Действительно,

ki = Imэ / Imб = (Imк + Imб) / Imб = Imк / Imб +1,

а отношение Imк / Imб есть коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

Однако коэффициент усиления по напряжению   близок   к   единице,   причем всегда меньше её:

ku = Um вых / Um вх = Um вых / (Um б-э + Um вых) < 1.

Напряжение Um б-э не более десятых долей вольта, a Um вых  при этом составляет единицы вольт, т. е. Um б-э « Um б-э . Следовательно, ku  1. Надо отметить, что переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз, так же как и в схеме ОЭ, но весь каскад не дает усиления. Коэффициент усиления по мощности, очевидно, равен примерно  ki , т. е. нескольким десяткам.

Фазового сдвига между Uвых и Uвх  нет. Таким образом, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. Иначе говоря, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в провод эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса).

Входное сопротивление каскада по схеме ОК составляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Действительно,

Rвх = Um вх / Im вх = (Um б-э + Um вых) / Imб .

Отношение Um б-э / Imб есть входное сопротивление самого транзистора для схемы ОЭ, которое, как известно, достигает единиц килоом. А так как  Um вых в десятки раз больше Um б-э , то и Rвх в десятки раз превышает входное сопротивление схемы ОЭ. Выходное сопротивление в схеме ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом.

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения транзисторов сведены в табл. 1.

Таблица 1. Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Параметр

Схема ОЭ

Схема ОБ

Схема ОК

ki

Десятки - сотни

Немного меньше   единицы

Десятки - сотни

ku

Десятки - сотни

Десятки - сотни

Немного меньше единицы

kp

Сотни - десятки тысяч

Десятки - сотни

Десятки - сотни

Rвх

Сотни ом - единицы килоом

Единицы - десятки   ом

Десятки - сотни   килоом

Rвых

Единицы - десятки килоом

Сотни килом -  единицы мегаом

Сотни ом - единицы килоом

Фазовый сдвиг

между Uвых и U вх

180°

0

0

2.1 ВВЕДЕНИЕ.

В числе электропреобразовательных полупроводниковых приборов, т.е. приборов, служащих для преобразования электрических величин, важное место занимают транзисторы. Наиболее распространены транзисторы, называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рис. 1. Он представляет собой пластину кремния, или германия, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n-p-n, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью. Менее широко применяются транзисторы типа p-n-p, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.

Рис. 1. Принцип устройства плоскостного транзистора

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n-p перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, коллектора и эмиттера сделаны выводы.

Транзистор может работать в трёх режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является

основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режим отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.

2.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА.

Рассмотрим как работает транзистор n-p-n типа в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных  питающих напряжений E1 и E2. (рис. 2.). полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

           а)                                                        б)

Рис.2. Движение электронов и дырок в транзисторах типа n-p-n и p-n-p

Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало  и  для  получения  нормального тока в этом переходе достаточно напряжения  E1  в десятые доли вольта. Сопротивление  коллекторного перехода велико, и напряжение E2 обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 2,а видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью

Uк-э = Uк-6 + U6-э

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда U6-э « Uк-6 и, следовательно, Uк-э  Uк-6. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе (см. рис. 3), А вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база — эмиттер (U6-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение U6-э , т.е. входное напряжение, управляет током  коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Рис.3. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения U6-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход - ток эмиттера iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+ » и «-». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомби-нируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока iб. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

iэ = iк + iб

Ток базы является бесполезным и дaжe вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно iб составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т. е. iб « iэ следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать iк  iэ. Именно для того, чтобы ток iб был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, так как основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т. е. электронов из p-области и дырок из n-области.

Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток коллектора iк.

По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжещия носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмит-терный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Поскольку в транзисторе ток эмиттера всегда равен сумме токов коллектора и базы, то приращение тока эмиттера также всегда равно сумме приращений коллекторного и базового тока:

iэ = iк + iб.

Важное свойство транзистора - приблизительно линейная зависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п-р-п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р-п-р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис. 2,6). В транзисторе типа р-п-р из эмиттера в базу инжектируются не электроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая приведена на рис. 4 для транзистора типа п-р-п. Эту диаграмму удобно использовать для создания механической модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение U6-э, тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогичные электронам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем ускоренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще ряд явлений.

Рис. 4. Потенциальная диаграмма транзистора

Существенно влияет на работу транзисторов сопротивление базы rб0,     т. е. сопротивление, которое база оказывает току базы iб. (Ноль в индексе здесь означает, что данная величина относится к постоянному току.) Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллектор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока iк, ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы rб0 (его называют поперечным) достигает сотен ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение U6-э между выводами базы и эмиттера, так как часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления rб0 можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 5.

Рис. 5. Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

На этой схеме rб0 - сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода  эмиттерной  области.   Значение rб0 у маломощных транзисторов достигает десятков   ом.   Это   вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы   миллиампер. У более мощных  транзисторов iэ0 больше и rэ0 соответственно меньше. Сопротивление rэ0 определяется формулой (в омах)

rэ0  25/iэ,

где ток iэ выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора rк0 представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоом. В него входит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис. 5 является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов. Тем не менее эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (главным образом результат ударной ионизации). Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробой коллекторного перехода в транзисторе происходит в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, т. е. без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части, получило название вторичного пробоя.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор-база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием неосновных носителей заряда е базе.

В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзистора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.

!!!!! Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттер-ном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током iк.упр. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

iк.упр = iэ,

где - коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе  к 1. Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток iк0 (рис. 6), называемый еще начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

iк = iэ + iк0.

Во многих случаях iк0 « iэ и можно считать, что iк iэ. Если надо измерить iк0, это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при iэ = 0 ток iк = iк0.

Преобразуем выражение (4.6) так чтобы выразить зависимость тока iк от тока базы iб. Заменим iэ суммой (iк+ iб):

iк=(iк+ iб)+ iк0.

Рис. 6. Токи в транзисторе

Решим это уравнение относительно iк. Тогда получим

iк =iб + .

Обозначим

= и =iк-э0

и напишем окончательное выражение

                                                      iк =iб + iк-э0                              (*)

Здесь - коэффициент передачи тока базы и составляет несколько десятков. Например, если = 0,95, то

,

а если = 0,99, т.е. увеличился на 0.04, то

,

т.е.  увеличился в пять с лишним раз!

Таким образом, незначительные изменения  приводят к большим изменениям . Коэффициент , так же как и , относится к важным параметрам транзистора. Если известен , то можно определить  по формуле

.

Следует заметить, что коэффициент  не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах  уменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. В пределах рабочих значений тока эмиттера  изменяется сравнительно мало.

Коэффициент  изменяется в зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент . При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент  максимален, а при меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.

Ток iк-э0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если iб = 0, т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (*) при iб = 0 получаем iк = iк-э0. Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора iк0. Ток iк- iк-э0 = iк0/(1-), и, зная, что /(1 — ) = , нетрудно найти iк-э0= (+ 1)iк0. А так как »1, то

iк-э0 iк0.

Сравнительно большой ток iк-э0  объясняется тем, что некоторая часть напряжения Uк-э приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения Uк-э ток iк-э0  резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что, если Uк-э не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения Uк-э, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток iэ, и равный ему ток iк, на коллектор ный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надо измерить ток iк-э0, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.

2.3.ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Вместо слов «с общим» иногда говорят «с заземленным», хотя заземление бывает не всегда. Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах, конечно, одинаков, но свойства схем различны.

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Эта схема, изображенная на рис. 7, является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.

Рис. 7. Схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером

Коэффициент усиления по току kt такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то kt составляет десятки единиц.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме ОЭ характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока) для схемы ОЭ, обозначаемый . Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки (Rн = 0), т. е. при постоянном напряжении участка коллектор-эмиттер:

=iк/iб  при Uк-э = const

Коэффициент  бывает равен десяткам и даже сотням, а реальный коэффициент усиления по току каскада ki  всегда меньше, чем , так как при включении нагрузки Rн  ток iк уменьшается.

Коэффициент усиления каскада по напряжению ku равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база-эмиттер Uб-э, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки UR или, что все равно, между коллектором и эмиттером - Uк-э:

ku = Um вых / Um вх = UmR / Um б-э = Um к-э / Um б-э.

Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника E2 достигает единиц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому ku имеет значение от десятков до сотен.

Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности ku получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам тысяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

Pвых = 0,5Im вых Um вых = 0

PAGE  10


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72143. Понятие и принципы гражданского процессуального права 32.5 KB
  Таким образом нормы этой отрасли права регламентируют общественные отношения возникающие в сфере гражданского судопроизводства гражданско-процессуальные отношения. Следует иметь в виду что в рамках гражданского судопроизводства обеспечивается реализация норм не только гражданского но и ряда других...
72144. Подведомственность и подсудность 22.5 KB
  Между ними дела распределяются следующим образом. К ведению общих судов относятся независимо от того из каких правоотношений возник спор все дела одной из сторон в которых выступает гражданин. Арбитражные суды рассматривают преимущественно дела связанные с разрешением хозяйственных споров...
72145. Стадии гражданского процесса 23 KB
  Стадия гражданского процесса – совокупность процессуальных действий, направленных к одной ближайшей цели: принятие заявления, подготовка дела к судебному разбирательству, судебное разбирательство и т.д.
72146. Понятие и принципы уголовно-процессуального права 36 KB
  В наибольшей степени регламентирована правовыми нормами уголовно-процессуальная деятельность. Это обусловлено, с одной стороны, тем, что из всех правонарушений именно преступления представляют наибольшую опасность для общества и особенно важно их раскрытие и наказание виновных...
72147. Стадии уголовного процесса 26.5 KB
  Процессуальные стадии это сменяющие друг друга части ступени развития юридического процесса. Так в уголовном процессе обычно выделяют следующие стадии: возбуждения уголовного дела; предварительного расследования; подготовки к судебному разбирательству; судебного разбирательства; кассационного рассмотрения...
72148. Володимир Володимирович Маяковський 79 KB
  Маяковському, щоб описати краще сучасників, необхідно було вчитися майстерності. І він вирішує покинути ряди партії, щоб знаходитися на легальному становищі. Першим ділом береться за живопис, навчається у Жуковського. Через рік починає освоювати рукоділля у Келіна.
72149. Основные виды специальных ПР-мероприятий 42 KB
  Товар на выставке можно показать в действии рассказать о нем подробно и именно так как хотите вы. Показ нового только что созданного вами изделия на коммерческой выставке простой и дешевый способ запустить его в производство найти покупателей идеи или инвесторов.
72151. Архивное хранение документов и дел 29.39 KB
  Система хранения информации стала формироваться одновременно с системой делового письма. Первая опись датирована 1288 годом. (Ипатьевская летопись) В период приказов места хранения документов не были стабильными.