|
Сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов зависят от режима транзистора и могут быть определены как дифференциальные сопротивления для данной рабочей точки по статическим характеристикам транзистора в схеме ОБ; сопротивление эмиттерного перехода — по входной характеристике как отношение малого приращения напряжения эмиттера к вызванному им приращению тока эмиттера при постоянном напряжении коллектора:
hl>3 при UK = const;
гэ =
д/э
сопротивление коллекторного перехода — по выходной характеристике как отношение приращения напряжения коллектора к вызванному им малому приращению тока коллектора при постоянном токе эмиттера:
Д^к
при /э = const.
Д/к
К неудобству использования первичных параметров транзистора гэ, гб и гк следует отнести то, что их невозможно непосредственно измерить с помощью измерительных приборов, поскольку точки для подключения прибора находятся внутри структуры транзистора.
К параметрам транзистора относят также дифференциальные коэффициенты усиления тока в трех схемах включения. Учитывая их зависимость от режима, коэффициенты усиления тока определяют как отношение приращения выходного тока к вызвавшему его малому приращению входного тока при данном неизменном выходном напряжении.
Для схемы ОБ коэффициент усиления тока а:
а= при UK6 = const; а= 0,95—0,99.
Для схемы ОЭ коэффициент усиления тока 0:
Р = ПРИ ^кэ = const; р = 20—200.
А/б
Для схемы О К коэффициент усиления тока у: у = 4г" ПРИ — const; у — 20—200.
А/б
Коэффициенты усиления тока, называемые также коэффициентами передачи тока, в разных схемах включения транзистора связаны соотношениями:
е = т^г- P = v-1;
Y=l+P; Y = T^-
Коэффициенты усиления тока аир могут быть определены по выходным характеристикам транзистора в схемах включения ОБ и ОЭ.
Сущность вторичных параметров можно объяснить, представив транзистор в виде активного четырехполюсника, имеющего два входных и два выходных вывода и усиливающего сигнал (рис. 1.35,6). Входные величины обозначают индексом «1», а выходные — индексом «2»: 1\ и U\ — входные ток и напряжение, h и Ui — выходные. Все рассуждения справедливы при условии, что сигналы, т. е. приращения Д/ь AUi, Д/г и MJ2, малы.
Эти четыре величины взаимно связаны и влияют друг на друга. Для расчетов выбирают две из них в качестве независимых переменных, а две другие величины будут зависимыми переменными. Для них составляется система из двух уравнений, связывающих их с независимыми величинами через коэффициенты, которыми могут быть либо только сопротивления, либо только проводимости, либо разные по размерности коэффициенты. Эти коэффициенты и являются вторичными параметрами. В выборе пары независимых переменных есть несколько вариантов. Соответственными будут и варианты выбора системы уравнений, а значит, и совокупности параметров для этой системы, называемой системой параметров. Существуют разные системы параметров: система Z-параметров (Z имеет размерность сопротивления), ^-параметров (у имеет размерность проводимости), /i-параметров и другие.
Наибольшее распространение при расчете транзисторных низкочастотных схем получили Н-параметры. Их преимущество перед собственными параметрами состоит в том, что их удобно определять с помощью измерений в схеме включения транзистора, причем для этого легко создать требуемые режимы по переменному току: короткое замыкание на выходе, соответствующее условию ДС/2 = 0 (или U2= const), и холостой ход на входе, соответственно, ДЛ = 0 (или /\ = const).
Для определения /i-параметров составляется система уравнений, в которой независимыми переменными являются Д/1 и Д£/2:
Д U1 = Л11Д/1 -j- Л,2Д£У2;
Д/2 = Л2|Д/1 -f- Л22Д(/2.
В этой системе имеется четыре параметра с разной размерностью: h\\y /i22, Л21, h\2-
Индекс параметра представляет сочетание двух цифр, обозначающих соответствующую цепь: «11» (один-один) относится ко входной цепи; «22» (два-два)—к выходной, «21» (два-один) отражает зависимость выходной величины от входной, а «12» (один-два) — зависимость входной величины от выходной. Значение этих параметров следующее:
hw — входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении
hw = при U2 = const;
Л22 — выходная проводимость транзистора при неизменном входном токе
h22 — ттг~ ПРИ!\ — const;
А с/-2
/i2i — коэффициент усиления тока при неизменном выходном напряжении:
Л21 — 4т~ при U2 = const;
Л/1
h\2 — коэффициент внутренней обратной связи по напряжению при неизменном входном токе
h\2 = “77~ При I\ = Const. Л(У2 Рис. 1.36. Определение Л-параметров по статическим характеристикам транзистора в схеме ОЭ: а —Лца; б — /122-«в — /12)э; г — hv>3 |
Поскольку в систему /z-параметров входят сопротивление, проводимость и безразмерные величины, их иногда называют смешанными, или гибридными, параметрами. Эти параметры зависят от схемы включения транзистора и в разных схемах имеют разные значения. Поэтому к индексу добавляют букву, обозначающую схему включения: для схемы ОБ параметры /1цб, Л226, /*21б, /ii26; для схемы ОЭ — Лцэ, Л22э, /*21э, /*12Э; для схемы ОК добавляется буква «к».
Определение Л-параметров по статическим характеристикам транзистора для схемы ОЭ показано на рис. 1.36, где h\\ определяется по одной входной характеристике, Л22 — по одной выходной, h12 — по двум ВХОДНЫМ, /121 — по двум выходным. Учитывая, что характеристики транзистора нелинейны и параметры зависят от режима работы, их определяют для рабочей точки по малым приращениям токов и напряжений:
/inэ = A.U,6 при ию = const (рис. 1.36, а);
Д/п
^22э~~ПГ~ ПРИ ^б== const (рис. 1.36, б);
Л21э = хр при Ц«= cons* (рис. 1.36, в);
Д/б
/zi2э = -туг- при /б = const (рис. 1.36, г).
Дс/кэ
Значения /i-параметров для разных схем включения связаны соотношениями, из которых по /i-параметрам одной схемы можно найти /г-параметры другой. Например:
h\\ э = Ли к =; -----; /^22э = /*22к = Лг26
1 — Л216 1 — Л216
Кроме того, /i-параметры можно выразить через первичные параметры транзистора:
h\\f) = гъ-\- r6(\ a); h\\-t — h\\K = Гб Н~ (1 Н~ Р) i
Л226 = ——; ^22э = /122к : = —^;
г к
I,. ___ г<5. I, _______ 1. L. ______ ^э(1 + Р).
«12б — —, «12к = 1, «12э — ----,
г к Г к
Л216 = а; /*21 к = V = 1 —Р = ------------------- i /121 э = р.
1 — а
В справочниках приводится коэффициент усиления тока в схеме ОЭ: Л21, = Р.
Как видно из приведенных соотношений, аир соответственно равны /1216 и Лги; определение их по коллекторным характеристикам для схем ОЭ и ОБ производится аналогично показан
ному на рис. 1.36, в.
Кроме рассмотренных параметров свойства транзистора характеризуются величинами, определяющими номинальный и предельный режимы работы и возможности использования транзисторов в различных устройствах. К ним относятся обратный ток коллектора, обратный ток эмиттера, граничная частота усиления тока, емкость коллекторного перехода.
Предельные режимы определяются максимально допустимыми значениями токов, напряжений и рассеиваемой мощности, которые нельзя превышать ни при каких условиях эксплуатации. К ним относятся максимально допустимые постоянные токи коллектора /кмакс, эмиттера /эмакс и базы /бмакс, максимально допустимые постоянные напряжения £/Эбмакс, ^Лемане Ц«макс, максимально допустимая постоянная мощность РКМакс, которая выделяется на коллекторном переходе.
Частотные свойства транзистора зависят от влияния емкостей Сэ и Ск. Несмотря на то, что емкость эмиттерного перехода на порядок больше, чем коллекторного, влияние Ск в области высоких частот сильнее. Это объясняется тем, что емкость Сэ шунтирует очень малое сопротивление эмиттерного перехода гэ, а емкость Ск — очень большое сопротивление гк. Параметром транзистора, характеризующим его частотные свойства, является граничная частота, при которой коэффициент усиления тока уменьшается в раз. Для схемы ОБ это частота /а, при которой а уменьшается в -\[2~раз, а — то же для р в схеме ОЭ.
Поскольку ток базы в (1 -j- Р) раз меньше тока эмиттера, то
/р = 1 ^. Отсюда следует, что граничная частота в схеме ОЭ
меньше, чем в схеме ОБ, и частотные свойства транзистора хуже.
Из рассмотрения принципа действия транзистора и его характеристик в схемах ОБ и ОЭ видно, что в схеме ОБ выходной ток /к практически повторяет по величине входной ток /э (схема не дает усиления тока); в схеме ОЭ выходной ток /к во много раз больше входного тока /б (происходит усиление тока). Следует добавить, что в схеме ОК ток усиливается практически так же, как в схеме ОЭ, но она не дает усиления по напряжению. Очевидно, что наибольшее усиление мощности электрических колебаний дает схема ОЭ.
1.4.4. Типы транзисторов и система их обозначений
Транзисторы разделяют на типы в зависимости от их назначения по граничной частоте усиливаемого сигнала и по мощности, рассеиваемой на коллекторе.
По частотным свойствам транзисторы делят на низкочастотные (fa ^ 3 МГц), средней частоты (3</а^30 МГц), высокочастотные (30 </„<300 МГц) и СВЧ (fa >300 МГц).
По максимально допустимой мощности, рассеиваемой коллектором, различают транзисторы малой мощности (Ркмакс ^ 0,3 Вт), средней мощности (0,3 < Якмакс ^ 1,5 Вт) и большой мощности (Ркмакс > 1,5 Вт). Для улучшения теплоотвода транзисторов средней и большой мощности используют радиаторы охлаждения; иногда роль радиатора охлаждения может играть корпус устройства, на котором укрепляется транзистор. Внешний вид транзисторов разной мощности показан на рис. 1.37.
Система буквенно-цифровых обозначений транзисторов такая же, как для диодов. В качестве второго элемента ставится буква Т. Третий элемент — трехзначное число, определяющее группу по электрическим свойствам и порядковому
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
|
| ||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
|
4. Какие возможны схемы включения транзистора и какими свойствами они отличаются?
5. Нарисуйте входные и выходные характеристики транзистора в' схеме с общим эмиттером.
6. Перечислите первичные и Л-параметры транзистора и покажите, как определяются коэффициенты усиления тока а и р по характеристикам.
Глава 1.5.
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
1.5.1. Устройство и принцип действия полевого транзистора
с р-п переходом
Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами, которые обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемым поперечным электрическим полем.
Рис. 1.38. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом: а, б — упрощенные структуры; в, г — условные графические обозначения с каналом n-типа и р-типа; д — схема включения, поясняющая принцип действия
В отличие от биполярного транзистора действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одной полярности — либо только электронами в канале п-типа, либо только дырками в канале p-типа. Поэтому их называют униполярными.
Различают два основных вида полевых транзисторов: с управляющим р-п переходом и с изолированным затвором.
Рассмотрим устройство и принцип действия полевого транзистора с р-п переходом (рис. 1.38). Он представляет собой полупроводниковую пластину п-типа, от торцов которой с помощью невыпрямляющих металлических контактов сделаны выводы
электродов. Слой полупроводника между этими контактами, в котором регулируется поток носителей заряда, называют проводящим каналом (в данном случае — п-типа). Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называют истоком И, а электрод, через который из канала вытекают носители заряда, — стоком С.
На грань пластины в ее центральной части наплавляют акцепторное вещество, создающее область p-типа; в результате образуется р-п переход. От p-области сделан вывод третьего электрода для подачи на р-п переход обратного напряжения. В таком режиме слой, обедненный носителями заряда имеет проводимость, близкую к нулю. Электрод, на который подается напряжение, создающее электрическое поле для управления протекающим через канал током, называют затвором 3.
При создании р-п перехода только с одной стороны пластины (рис. 1.38, а) канал п-типа образуется между областью р-п перехода и непроводящей подложкой, на которой укреплена пластина. Чаще всего создают р-п переходы с двух сторон пластины — на противоположных гранях — и электрически соединяют обе p-области в один вывод затвора (рис. 1.38,6). В этом случае проводящий канал образуется в пластине между областями двух р-п переходов.
На рис. 1.38, в, г показаны условные графические обозначения полевых транзисторов с каналами п-типа и р-типа.
В схеме включения полевого транзистора (рис. 1.38, д) между истоком и стоком подается напряжение Uc„ такой полярности, чтобы основные носители заряда (электроны в канале п-типа) двигались по каналу в направлении от истока к стоку. При этом через канал и по внешней цепи протекает ток стока /с. Цепь между стоком и истоком является главной.
На затвор относительно истока подается напряжение UM, обратное для р-п перехода. Оно создает поперечное по отношению к каналу электрическое поле, напряженность которого зависит от величины приложенного напряжения. Чем больше это напряжение, а следовательно, сильнее электрическое поле, тем шире запирающий слой и уже канал (пунктир на рис. 1.38, д). С уменьшением поперечного сечения канала уменьшается его проводимость, что приводит к уменьшению тока /с в цепи. Цепь между затвором и истоком является управляющей. Таким образом, принцип действия полевого транзистора с р-п переходом основан на изменении проводимости канала за счет изменения ширины области р-п перехода под действием поперечного электрического поля, которое создается напряжением затвор — исток.
Если в цепь затвор — исток последовательно с источником постоянного напряжения Е3 включить источник усиливаемого
сигнала, а в главную цепь между стоком и истоком последовательно с источником питания Ес — нагрузку /?н (рис. 1.39), то будет происходить процесс усиления сигнала. Слабый сигнал вызывает изменения поперечного электрического поля; оно пульсирует с частотой сигнала, что в свою очередь приводит к периодическим расширениям и сужениям канала. Это вызывает пульсации тока /с и напряжения на нагрузке RH. Переменная составляющая этого напряжения представляет собой усиленный сигнал на выходе, значительно больший по мощности, чем сигнал в цепи управления на входе.
| |||
|
Из принципа действия полевого транзистора следует, что, в отличие от биполярного транзистора, он управляется не током, а напряжением 1!ш.
Поскольку это напряжение обратное, то в цепи затвора ток не протекает, входное сопротивление остается очень большим, на управление потоком носителей заряда, а значит, и выходным током /с не затрачивается мощность. В этом преимущество полевого транзистора по сравнению с биполярным.
Такое же устройство и принцип действия имеют полевые транзисторы с р-п переходом и каналом p-типа; по сравнению с транзисторами с каналом п-типа они требуют противоположной полярности источников питания. Основные носители заряда в них — дырки.
Следует отметить, что при подаче на канал напряжения UCH потенциалы точек канала относительно истока неодинаковы по его длине: они возрастают по мере приближения к стоку от нуля до полного напряжения Um. В связи с этим увеличивается и обратное напряжение на р-п переходе в направлении от истока к стоку от значения, равного U3tt около истока, до суммы
+ Ос» у стока. Это вызывает постепенное расширение области р-п перехода по мере приближения к стоку и соответствующее сужение канала: его сечение уменьшается в направлении от истокового конца к стоковому. С увеличением возрастает влияние этого напряжения на сужение канала у стокового конца.
1.5.2. Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с р-п переходом
Основные характеристики полевых транзисторов — выходные (стоковые) и передаточные (стоко-затворные).
Стоковая характеристика отражает зависимость тока стока от напряжения сток — исток при постоянном напряжении затвор — исток:
/с = /(t/си) при (Ли = const.
Характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины (Ли, составляют семейство статических стоковых характеристик. На рис. 1.40, а, приведено семейство характеристик для полевого транзистора с р-п переходом и каналом п-типа.
Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при 1/ЗИ = 0, когда канал имеет максимальное исходное рабочее сечение. В ней можно выделить три участка.
Рис. 1.40. Семейство стоковых характеристик (а) и стоко-затворная характеристика (б) полевого транзистора с управляющим р-п переходом и каналом п-типа |
Начальный участок выходит из начала координат (при иы = 0 ток /с тоже равен нулю) и соответствует малым значениям напряжения £/си, изменение которого почти не влияет на проводимость канала; канал полностью открыт. Поэтому ток /с на этом участке растет прямо пропорционально напряжению ис«\ характеристика идет круто вверх.
По мере дальнейшего увеличения UCH начинает сказываться его влияние на проводимость канала. Причиной этого служит возрастание потенциала точек канала в направлении к стоку и, соответственно, рост обратного напряжения на р-п переходе, которое при 0ЗИ = 0, у стокового конца равно величине £/си. По мере увеличения Ucyi происходит сужение канала, уменьшается его проводимость и замедляется рост тока /с. Это соответствует криволинейной переходной области характеристики.
Дальнейшее увеличение UCH практически не вызывает роста тока, так как непосредственное влияние UCH на величину тока компенсируется одновременным повышением сопротивления канала из-за его сужения. Максимальное сужение канала назы- выют перекрытием канала. Этот режим называют режимом насыщения. Ему соответствует пологий, почти горизонтальный, участок характеристики. Напряжение, при котором начинается режим насыщения, называют напряжением насыщения Uchнас, а ток при этом — током насыщения /сиас.. Участок характеристики, соответствующий режиму насыщения, используется в усилителях как рабочий.
При дальнейшем увеличении UCH, когда оно достигает определенного значения, ток резко возрастает; это соответствует лавинному пробою р-п перехода вблизи стока, где канал имеет наименьшее сечение, а обратное напряжение на р-п переходе — наибольшую величину. Пробой транзистора недопустим, поэтому в рабочем режиме повышение (Уси ограничивается максимально допустимым значением, указываемым в справочниках.
Характеристики, снимаемые при значениях (Ли Ф 0, располагаются ниже рассмотренной характеристики при U3„ = 0, причем тем ниже, чем больше по абсолютной величине напряжение затвор — исток. С увеличением напряжения при котором
снимается стоковая характеристика, исходное сечение канала становится меньше, его сопротивление — больше, менее круто идет начальный участок характеристики, а также при меньшем напряжении Uc„ и токе /с наступает режим насыщения. Пробой транзистора в этом случае наступает при меньшем напряжении
иСИ.
Полевой транзистор может быть использован не только в схемах усиления, но и в качестве управляемого омического сопротивления; в этом случае он работает в режиме, соответствующем начальному крутому участку стоковой характеристики.
Стоко-затворная характеристика — это зависимость тока стока от напряжения затвор — исток при неизменной величине напряжения сток — исток (рис. 1.40,6):
/с = f(U3H) при Uch = const.
Эта зависимость характеризует управляющее действие входного напряжения на величину выходного тока.
При данном постоянном значении UCK, взятом в рабочем режиме, т. е. на участке насыщения, и при £/зи = 0 точка характеристики лежит на оси тока и соответствует величине, равной току насыщения /снас. С увеличением напряжения LЛи по абсолютной величине проводимость канала уменьшается, что приводит к уменьшению тока. Увеличение напряжения изи вызывает уменьшение сечения проводящего канала до тех пор, пока он не оказывается перекрытым; ток через канал прекращается, транзистор закрывается, так как сток и исток изолированы друг от друга. Напряжение затвор — исток, при котором ток через канал прекращается, называют напряжением отсечки U3„отс •
На рис. 1.40,6 приведена одна стоко-затворная характеристика, поскольку изменение иси в режиме насыщения очень мало влияет на ток /с и характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины иси, располагаются очень близко друг к другу.
Между напряжением насыщения и напряжением отсечки существует зависимость:
^синас === ^зиотс ^/зи •
ОтСЮДа ПрИ £/зи 0 i/си нас == ^/энотс*
Изменение температуры мало сказывается на работе полевого транзистора, что является еще одним его преимуществом перед биполярным. Это объясняется противоположным влиянием на сопротивление канала и величину выходного тока /с двух факторов. С одной стороны, повышение температуры снижает потенциальный барьер р-п перехода, что ведет к уменьшению его ширины и расширению канала, сопротивление канала уменьшается, ток /с возрастает. С другой стороны, при повышении температуры уменьшается подвижность основных носителей заряда, что вызывает рост сопротивления канала и уменьшает ток /с. В результате ток /с изменяется мало. Причем в области больших токов преобладает влияние второго фактора, и /с с ростом температуры уменьшается, что очень благоприятно, а в области малых токов преобладает первый фактор, и ток немного возрастает (пунктирная кривая на рис. 1.40,6). Повышение температуры снижает UBX из-за увеличения обратного тока р-п перехода.
1.5.3. Параметры полевых транзисторов с р-п переходом
Основные параметры полевого транзистора следующие: крутизна стоко-затворной характеристики, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, входное сопротивление, ток и напряжение насыщения при нулевом напряжении на затворе, напряжение отсечки, а также параметры предельных режимов: максимально допустимый ток стока /смакс при U3„ = 0, максимально допустимое напряжение сток — исток исимакс, максимально допустимое напряжение затвор — исток U3HMaKC, максимально допустимая рассеиваемая мощность Рмакс, диапазон рабочей температуры.
Статическая крутизна характеристики S показывает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора и определяется как отношение приращения тока стока к вызвавшему его малому приращению напряжения затвор — исток при постоянном напряжении сток — исток:
S = ■АД/С— при £/си = const.
Крутизна определяет наклон стоко-затворной характеристики; по величине крутизны оценивают управляющее действие затвора. Численное значение крутизны можно найти по стоко-затворной характеристике, взяв для данной точки малое приращение напря* жения Л£/зи и соответствующее ему приращение тока Д/с (см. рис. 1.40,6). Наибольшее значение имеет крутизна характеристики в точке на оси тока при U3H = 0. С увеличением U3„ крутизна уменьшается. Примерная величина этого параметра S = 0,1 — 8 мА/В.
Внутреннее (дифференциальное) сопротивление /?, показывает влияние напряжения сток — исток на выходной ток транзистора. Оно определяется по наклону стоковой характеристики на участке насыщения как отношение приращения напряжения сток — исток к вызываемому им малому приращению тока стока при постоянном напряжении затвор — исток (см. рис. 1.40, а):
R. = при изи = const
А/с
Чем больше Ri, тем более полого идет характеристика в области насыщения. Внутреннее сопротивление полевых транзисторов составляет десятки и сотни килоом и более. Оно определяет выходное сопротивление /?вых.
Входное сопротивление RBX полевого транзистора очень велико; оно определяется обратным сопротивлением р-п перехода и составляет 108—109 Ом. Большое входное сопротивление является преимуществом полевых транзисторов перед биполярными. Преимуществом является также малый собственный шум.
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 17 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |