Е.О.Федосеева, Г П. Федосеева 5 страница

Э /—ч Н

Рис. 1.24. Трехслойные структуры и условные графические обозначения тран­зисторов типа р-п-р (а) и п-р-п (б)

переходу должно быть приложено прямое напряжение, а к кол­лекторному— обратное. Если на эмиттерном переходе нет на­пряжения, то через коллекторный переход протекает очень не­большой обратный ток /_Кобр. По сравнению с рабочим током им можно пренебречь для упрощения рассуждений и считать, что в коллекторной цепи тока нет, т. е. транзистор закрыт.

При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения от источника питания Е_э происходит инжекция носителей заряда из эмиттера в базу, где они являются неосновными. Для транзис­тора р-п-р этими носителями заряда являются дырки. Движение дырок в процессе инжекции через эмиттерный переход создает

Инженция База Экстракция

-О О- ⁺ ^пр)

ток эмиттера /*. Дырки, перешедшие в базу, имеют вблизи р-п перехода повышенную концентрацию, что вызывает диффузию их в базе. Толщина базы очень мала, поэтому дырки в процессе диффузии оказываются вблизи коллекторного перехода. Боль­шая их часть не успевает рекомбинировать с электронами базы и втягивается ускоряющим электрическим полем коллекторного перехода в область коллектора. Происходит экстракция дырок под действием обратного напряжения из базы в коллектор. 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 от источника Е_э. 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 управляется током эмиттера: если увеличится ток эмиттера, то практически пропорционально возрастет ток
коллектора. Ток эмиттера может изменяться в больших пределах при малых изменениях прямого напряжения на эмиттерном пе­реходе.

Для иллюстрации основных процессов на рис. 1.27 показаны потоки дырок в транзисторе р-п-р при инжекции их через эмит- терный переход ЭЛ и экстракции через коллекторный переход КП. Дырки для наглядности обозначены белыми знаками «плюс» в черных кружочках, а электроны — окружностями со знаками «минус». Поток инжектируемых дырок разветвляется в базе на основную часть, втягиваемую в коллектор, и незначительную часть, рекомбинирующую с электронами.

Инженция

Энстранция

Т°Е_эО=-

пр)

Рис. 1.27. Иллюстрация процессов в транзисторе с помощью потоков носителей заряда

Кроме того, показаны два процесса, которые по интенсив­ности неизмеримо меньше основных. Первый из них — генера­ция пар носителей заряда в области коллектора, обусловли­вающая его собственную электропроводность и вызывающая прохождение обратного тока коллекторного перехода /_кое_Р. Этот ток создается неосновными носителями заряда, концентрация которых зависит от температуры. Следовательно, обратный ток зависит от температуры; иногда его называют тепловым током. Второй процесс — движение электронов из базы в эмиттер в ре­зультате снижения потенциального барьера при прямом напря­жении на эмиттерном переходе. Однако учитывая, что концентра­ция основных носителей заряда (электронов) в базе на два-три порядка меньше концентрации дырок в эмиттере, можно счи­тать, что электронная составляющая прямого тока через ЭП
очень мала и величину тока эмиттера Д определяет дырочная составляющая. Электроны, перешедшие из базы в эмиттер, ре­комбинируют в нем с дырками.

Уход дырок из коллектора соответствует приходу на их место электронов из внешней цепи от источника питания Е_к. Ре­комбинация электронов с дырками в базе и в эмиттере компен­сируется пополнением их из внешней цепи от источника пита­ния Е₃ и из коллектора за счет обратного тока /_КОб_Р- Пополнение ушедших из эмиттера в базу дырок происходит за счет ухода электронов из эмиттера во внешнюю цепь под действием источ­ника Е_э.

Токи трех электродов транзистора связаны соотношением:

Д = Д -Ь Д-

Ток базы значительно меньше тока коллектора, поэтому для практических расчетов часто считают ток коллектора приб­лиженно равным току эмиттера: Д ^ Д. Отношение Д/Д = а на­зывают статическим коэффициентом передачи тока эмиттера, или коэффициентом передачи постоянного тока.

Принцип действия транзистора п-р-п аналогичен рассмотрен­ному, но носителями заряда, создающими токи через р-п пере­ходы в процессе инжекции и экстракции, являются электроны; полярность источников Е_э и Е_к должна быть изменена на про­тивоположную, соответственно изменятся и направления токов в цепях.

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

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

Схема включения транзистора для усиления электрических колебаний содержит две цепи (рис. 1.28): входную и выходную. Входная цепь — в данном случае между эмиттером и базой — является управляющей; в нее последовательно с источником питания Е_э включается источник слабых электрических колеба­ний U_BX~, которые надо усилить. Электрические колебания, по­даваемые во входную цепь, называют управляющим, или усили­ваемым, сигналом. Выходная цепь — между коллектором и ба­зой — является главной цепью; в нее последовательно с источ­ником Е_к включается нагрузка /?„, на которой надо получить уси­
ленный сигнал. Источник усиливаемых колебаний малой мощ­ности дает небольшое переменное напряжение и вызывает из­менения эмиттерного тока; в результате происходят изменения коллекторного тока и напряжения на нагрузке. Поскольку со­противление коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, очень велико, коллекторная цепь является высоко­омной; в нее включается, соответственно, высокоомная нагруз­ка /?„.

Рис. 1.28. Схема включения транзистора для усиления электрических колебаний

При этих условиях изменения тока коллектора Д/_к, практиче­ски равные изменениям тока эмиттера Л/₉, создают в усилителях низкой частоты на большом сопротивлении R_H электрические колебания, мощность которых значительно превышает мощность колебаний в низкоомной входной цепи, т. е. происходит усиление электрических колебаний.

1.4.2. Схемы включения и статические характеристики транзисторов

Транзистор имеет три электрода, из которых в схеме вклю­чения один — входной, другой — выходной, а третий — общий для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой

Рис. 1.29. Схемы включения транзистора типа п-р-п: а — с общей базой ОБ\ б — с общим эмиттером ОЭ\ в — с общим коллектором ОК

электрод является общим, возможны три схемы включения тран­зистора — с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК (рис. 1.29).

В схемах, на которых рассматривался принцип действия транзисторов и его использование для усиления электрических

колебаний (см. рис. 1.26, 1.27, 1.28), входной электрод — эмит­тер, выходной — коллектор, а общий, входящий и в цепь входа, и в цепь выхода, — база; следовательно, это была схема ОБ.

При любой схеме включения в каждой цепи постоянный ток проходит от плюса источника питания через соответствующие области транзистора к минусу источника питания. Стрелка эмит­тера указывает направление проходящего через него тока.

Во всех трех схемах сохраняется рассмотренный принцип действия транзистора, но свойства схем различны; они также отличаются характеристиками и параметрами.

Рис. 1.30. Схема для снятия характеристик транзис­тора, включенного с общим эмиттером

В любой схеме включения в каждой из двух цепей действует напряжение между двумя электродами и протекает ток: во вход­ной цепи — U_BX и /_вх, в выходной— и_нык и /_вых. Эти электрические величины определяют режим работы транзистора и взаимно вли­яют друг на друга.

Характеристики транзистора представляют собой зависимость одной из этих величин от другой при неизменной третьей вели­чине. Для того чтобы одну - из электрических величин можно было поддерживать постоянной, в схему для снятия характерис­тик надо включить только источники питания; нагрузку и ис­точник усиливаемых колебаний не включают. Для регулирова­ния напряжений включают потенциометры, а для измерения на­пряжений и токов — измерительные приборы. На рис. 1.30 при­ведена схема для снятия характеристик транзистора п-р-п, вклю­ченного с общим эмиттером. При снятии каждой характеристи­ки сначала устанавливают с помощью потенциометров значение постоянной величины, а затем, устанавливая последовательно разные значения изменяемой величины, определяют соответст­вующее значение зависящей от нее другой величины.

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

Наибольшее значение при применении транзисторов имеют два вида характеристик — входные и выходные.

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

/вх = f(U_BX) при t/вых = const.

Выходной характеристикой называют зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе:

Ашх —- f(U_m) при /_вх 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.

Статические характеристики транзистора в схеме ОБ. Как бы­ло показано, в этой схеме входным электродом служит эмиттер, а выходным — коллектор. Поэтому входное напряжение — это напряжение между эмиттером и базой £/_эб, а выходное — между коллектором и базой U_Kб; входным током является ток эмиттера /₃, а выходным — ток коллектора /_к.

•к	мА	1э4^>,эЗ^>,э2^>,э1 •э4 S
			^!э3
Ю	.—		1э2^
			*э1
		, } и обр * ^э
	Г,	/ 1 1
	Ю ^1	‘ 20 30 U нб

Рис. 1.31. Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ: а — выходные; б — входные

Поскольку /_к «/_э, то выходной ток почти равен входному, так что схема ОБ практически не усиливает ток, а усиливает только напряжение и во столько же раз мощность сигнала.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, представляют собой зависимость тока коллектора от напря­жения коллектор — база при постоянном токе эмиттера, поэтому их называют коллекторными (рис. 1.31,а):

/_к —f{U_Kб) при /_э = const.

Для того чтобы график характеристик был универсальным для транзисторов типа р-п-р и п-р-п, напряжение по горизонталь­ной оси отложено без учета его полярности, по абсолютной ве­личине.

При /_э = 0 ток коллектора равен обратному току коллектор­ного перехода /_к = /_КОбр, поэтому выходная характеристика, сня­тая при /_э = 0 представляет собой обратную ветвь вольт-ампер- ной характеристики р-п перехода. Характеристики, снятые при постоянных значениях /_э >• 0 располагаются тем выше, чем боль­ше Д, причем они выходят не из начала координат. Это объясня­ется тем, что при Uкб —0 на коллекторном переходе действует потенциальный барьер <ро, создающий ускоряющее поле для не­основных носителей заряда, инжектированных в базу из эмитте­ра. Поэтому они переносятся электрическим полем из базы в коллектор и создают ток /_к, не равный нулю. Он тем больше, чем больше /_э, при котором снимается характеристика. Характерис­тики идут очень полого, т. е. ток коллектора почти не зависит от изменений напряжения коллектора. Это говорит о том, что выходное сопротивление в схеме ОБ очень велико:

/?выхб — ~тт^~ ^ПР^И /_э = const (сотни тысяч ом и более).

А/ _к

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

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, представляют собой зависимость тока эмиттера от напря­жения эмиттер—база при постоянном напряжении коллектор— база; эти характеристики называют эмиттерными (рис. 1.31,6):

h — f(U,_б) при U_K6 — const.

При отсутствии коллекторного напряжения (U_K6 = 0) вклю­чен только эмиттерный переход в прямом направлении и харак­теристика соответствует прямой ветви вольт-амперной характе­ристики р-п перехода.

Этим объясняется очень малое входное сопротивление в схе­ме ОБ:

/?_вх,_б = при U_Kt = const (единицы и десятки ом).

При большем значении величины U_Kб входная характеристика немного сдвигается влево и вверх. Это происходит из-за влияния обратного напряжения на коллекторном переходе на толщину базы. С увеличением U_K6, т. е. U₀б_Р, расширяется за счет базо­вой области коллекторный р-п переход и уменьшается толщина базы. Перепад концентрации инжектированных носителей заряда в базе увеличивается, возрастает процесс диффузии их от эмит- терного перехода, а следовательно, и инжекция из эмиттера. В результате становится больше ток /_э при том же значении 0_Эб.

Статические характеристики транзистора в схеме ОЭ. В этой схеме входной ток — ток базы /_б, выходной — ток коллектора /_к, входное напряжение создается между базой и эмиттером Обэ, а выходное — между коллектором и эмиттером U_Kэ.

Рис. 1.32. Характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ: а — выходные; б — входные

Поскольку ток коллектора гораздо больше тока базы, а соз­даваемое им напряжение на нагрузке /?_н в высокоомной выход­ной цепи значительно превышает напряжение во входной цепи, то, значит, схема ОЭ усиливает и ток, и напряжение и, следователь­но, дает очень большое усиление мощности сигнала.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависимость тока коллектора от напря­жения коллектор — эмиттер при постоянном токе базы. Как и для схемы ОБ, выходные характеристики в схеме ОЭ — это коллек­торные характеристики (рис. 1.32, а).

/_к = f(U_K3) при /_б = const.

В этой схеме напряжение U₆₃ — это прямое напряжение на эмиттерном переходе, а обратное напряжение на коллекторном переходе U_K6 определяется разностью U_K3—U,б_Э. Но поскольку и_кэ >> £/бэ, можно приближенно считать, что U_0бр «U_K3.

Семейство коллекторных характеристик транзистора в схеме ОЭ отличается от коллекторных характеристик в схеме ОБ. Все характеристики выходят из начала координат, т. е. при U_KS = О

ток /_к = 0. Это объясняется тем, что при U_K3 = 0 цепь коллек­тор — эмиттер закорочена; коллекторный переход подключен па­раллельно эмиттерному, и на нем тоже действует прямое на­пряжение, равное i/бз, которое понижает потенциальный барьер. В результате основные носители заряда переходят из коллектора в базу и компенсируют поток таких же носителей заряда, пере­ходящих в коллектор от эмиттера через базу, так что /_к = 0.

Начальная коллекторная характеристика, снятая при U = 0, имеет вид, соответствующий обратной ветви вольт-амперной ха­рактеристики диода. Однако величина тока коллектора, являю­щегося начальным неуправляемым током /_к<о>, при этом в де­сятки раз превышает величину обратного тока коллекторного перехода. Это объясняется тем, что ток коллектора /_к = /_э—/_б, а при /_б = 0 /_к = /_э, т. е. ток коллектора создается всем потоком инжектированных из эмиттера в базу и переходящих в коллектор носителей заряда. Но при /_б = 0 на эмиттерном переходе еще существует потенциальный барьер, а инжекция носителей заряда в базу невелика. Поэтому ток эмиттера и равный ему ток кол­лектора /_К(о) невелики, но созданный потоком основных носи­телей заряда из эмиттера /_К(о> значительно превышает обрат­ный ток коллекторного перехода, создаваемый неосновными но­сителями при отсутствии инжекции из эмиттера, т. е. при /_э = 0.

Чем больше значение тока /_б, при котором снимается кол­лекторная характеристика, тем выше она располагается, так как для увеличения тока /_б необходима более интенсивная инжек­ция в базу неосновных носителей заряда, чтобы осуществля­лась более интенсивная рекомбинация их с основными носителя­ми заряда в базе. Это соответствует большему значению тока эмиттера, а следовательно, и тока коллектора.

Начальный круто восходящий участок каждой характерис­тики является нерабочим. Это участок малого напряжения 1/_къ, изменяющегося в пределах от 0 до 0,5—1,5 В. При малых зна­чениях t/кэ, соизмеримых с величиной t/бэ, следует учитывать, что напряжение £/_кэ равно сумме напряжений на коллекторном U_k6 и эмиттерном и_бэ переходах. Отсюда напряжение на кол­лекторном переходе U_K6—U_K3 — Uб_Э- При U_K3<cU6b из меньшего вычитается большее, т. е. знак U_Kб меняется на противополож­ный. А это означает, что если в рабочем режиме полярность U_Kб соответствует обратному напряжению на коллекторном переходе, то при и_кэ < i/бэ она соответствует прямому напряжению. Наи­большее значение прямого напряжения (У_кб на коллекторном пе­реходе получается при U_K9 = 0, когда U_k6 = U_6э. По мере роста U_K3 это прямое напряжение уменьшается и становится равным нулю при U_K3 = U₆э. Прямое напряжение на коллекторном пере­ходе препятствует прохождению через него из базы в коллектор неосновных носителей заряда, которые инжектируются в базу из эмиттера. Поэтому уменьшение прямого напряжения на коллек­торном переходе приводит к увеличению экстракции этих носи­телей из базы в коллектор, а это в свою очередь вызывает рез­кое возрастание тока коллектора.

При t/_K3 > t/«, полярность U_Kб изменяется на обратную для коллекторного перехода. Изменение напряжения 0_КЭ на этом участке характеристик мало влияет на величину тока коллектора; рабочий участок характеристики идет полого, но круче, чем в схеме ОБ.

Следовательно, выходное сопротивление в схеме ОЭ велико, но меньше, чем в схеме ОБ:

Авых.э = ^'^э при /_б = const (десятки килоом).

Увеличение коллекторного напряжения выше максимально допустимого приводит к пробою коллекторного перехода.

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, — это базовые характеристики (рис. 1.32,6), представляю­щие собой зависимость тока базы от напряжения база — эмит­тер при постоянном напряжении коллектор — эмиттер:

/б = f{Uб_Э) при f/_K, = const.

При t/_K, = 0 характеристика имеет вид прямой ветви вольт - амперной характеристики диода. С увеличением постоянного на­пряжения U_K3, при котором снимается характеристика, она не­много сдвигается вправо. Это объясняется тем, что увеличение обратного напряжения приводит к расширению коллекторного перехода за счет базы, уменьшению толщины базы и числа ре­комбинаций в ней, а значит, и тока базы при том же значении напряжения t/₆₃.

Входные характеристики, как и прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода, начинаются не из начала координат, а при некотором значении напряжения базы, называемом порого­вым t/ пор*

Входное сопротивление в схеме ОЭ не очень мало; оно го­раздо больше, чем в схеме ОБ:

Rbx.3 = Цтг¹- при t/кэ = const (сотни и тысячи ом).

А/б

Кроме рассмотренных семейств характеристик для практиче­ских расчетов представляют интерес еще две характеристики: проходная и прямой передачи.

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

^ база — эмиттер при постоянном напряжении коллектор — эмит­

тер (рис. 1.33, а):

/_к = / (U₆₃) при U_K3 = const.

Проходная характеристика может быть построена по точкам, взятым на входных и выходных характеристиках. Она начинает­ся не из начала координат (так как ток коллектора появляется, когда ток базы /б>0), а при значении напряжения U₆₉, равном пороговому I/пор. Начальный участок ее пологий, а с дальнейшим увеличением 0_бэ характеристика становится круто восходящей и практически линейной. При (Уб_Э <1 (У_пор транзистор остается закрытым, ток /_к = 0; при Uб_Э > U_nop транзистор открывается.

Рис. 1.33. Проходная характеристика (а) и характерис­тика прямой передачи (б) транзистора в схеме ОЭ

Характеристикой прямой передачи называют зависимость вы­ходного тока от входного. Для схемы ОЭ это зависимость тока коллектора от тока базы при постоянном напряжении коллектора (рис. 1.33,6):

/к = /(/б) при (Лэ = const.

Эта характеристика выходит из начала координат. С увеличе­нием тока базы возрастает и ток коллектора; сначала медленно, а затем быстрее и практически линейно.

На характеристики транзистора оказывает сильное влияние температура: с повышением температуры коллекторные характе­ристики, снятые при том же значении тока базы, располагаются выше (рис. 1.34). Влияние температуры в схеме ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ. Основная причина перемещения харак­теристик вверх — значительное увеличение обратного тока кол­лекторного перехода, который в схеме ОЭ увеличивается в де­сятки — сотни раз. Кроме того, усиление тока в схеме ОЭ также возрастает с повышением температуры.

В схеме О К входным током является ток базы /б, а выход­ным— ток эмиттера /_э. Входное напряжение создается между ба-

зой и общей точкой входной и выходной цепей, к которой через источник постоянного тока Е_к подключен по сигналу коллектор, поэтому входное напряжение— U_6k, а выходное — на сопротивле­ние нагрузки, включенной между эмиттером и общей точкой, — является напряжением U_3K. Как видно из схемы рис. 1.29, в, во входной цепи на эмиттерном переходе действуют два напряже­ния— от источника сигнала U_BX и на резисторе нагрузки и_вых, причем приращения этих напряжений находятся в противофазе, так что фактически напряжение на переходе равно их разности и очень мало. Этим объясняется соотношение Ц,_ых < U_BXt но раз­ность между ними невелика. Таким образом, в схеме ОК прак­тически не усиливается напряжение, а усиливается только ток;

Рис. 1.34. Влияние температуры на коллекторные характеристики тран­зистора в схеме ОЭ

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 U_BblK — U_BX и имеет малую величину:

при U_K = const (десятки 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.

1.4.3. Параметры транзисторов

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

К первичным относят собственные параметры транзистора, характеризующие его физические свойства (рис. 1.35, а) и не зависящие от схемы включения:

г_э — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода в прямом направлении; составляет единицы и десятки ом; г_б — объемное сопротивление базы; составляет сотни ом; г_к — дифференциальное сопротивление коллекторного перехо­да в обратном направлении; составляет сотни килоом;

Рис. 1.35. Структура транзистора, иллюстрирующая его первичные

параметры г», г_к, г с, С_э, С_к (а), и представление транзистора в виде четырехполюсника для определения /i-параметров (б)

С_э — емкость эмиттерного перехода; составляет сотни пико­фарад;

С_к — емкость коллекторного перехода; составляет десятки пикофарад.

Влиянием емкостей С_э и С_к в области звуковых частот можно пренебречь.

Дата добавления: 2015-10-21