Лекции по электронике2. Е. Ю. Салита
 Скачать 10.66 Mb.
|
|
Часть дырок в базе рекомбинирует, но это малая часть, поэтому IкрIбр. Для оценки свойств транзистора используется понятие коээфициента переноса неосновных носителей через базу:  . (6.5)Желательно, чтобы значение стремилось к единице, что возможно при сокращении потерь дырок при рекомбинации при более тонкой базе. Для современных транзисторов 0,96-0,996. Коллекторный ток, обусловленный дырочной составляющей, связан с током эмиттера коэффициентом передачи тока:  . (6.6)С учетом выражений (6.2) и (6.5) имеем =. (6.7) Для современных транзисторов 0,92-0,999. Таким образом, для увеличения коэффициента передачи необходимо увеличивать разность концентраций в эмиттере и базе основных носителей заряда и уменьшить толщину базы. 6.1. Распределение токов в структуре транзистора Распределение токов в структуре транзистора изображено на рис. 6.5. Наличие коллекторного перехода П2, включенного в обратном направлении, обусловливает протекание обратного тока Iко, появляющегося вследствие дрейфа неосновных носителей заряда. Концентрация неосновных носителей зависит от температуры, следовательно, и ток Iко зависит от температуры, поэтому этот ток называется тепловым (размерность тока – единицы микроампер). Результирующий ток коллектора при этом равен: Iк = Iэ + Iко. (6.8) На основании вышеизложенного можно утверждать, что принцип действия биполярного транзистора основан на создании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (выходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется током.  Рис. 6.5. Распределение токов в структуре транзистора Сопротивление эмиттерного перехода Rэ составляет единицы-десятки Ом, поэтому в эту цепь обычно подается небольшое напряжение (UЭБ < 1 В). Сопротивление коллекторного перехода Rк составляет сотни кОм – единицы МОм, поэтому: в цепь коллектора подводят большое напряжение (UБК – единицы-десятки вольт) и в нее можно включать большие внешние сопротивления. Таким образом, RкRэ. Вследствие того, что изменение тока эмиттера происходит в цепи с малым сопротивлением, а почти равное ему изменение тока происходит в цепи коллектора, обладающей большим сопротивлением, то мощность, выделяемая на сопротивлении Rк, значительно превышает мощность в цепи эмиттера. Следовательно, транзистор обладает свойством усилителя. 6.2. Схемы включения транзисторов. Статические ВАХ Транзистор принято рассматривать как четырехполюсник с двумя входными и двумя выходными клеммами (рис. 6.6). При использовании транзисторов в различных схемах практический интерес представляют зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) I1 = f (U1), при постоянном напряжении на коллекторе (U2 = const), и напряжения и тока выходной цепи (выходные ВАХ) I2 = f (U2), при постоянном значении тока управления (I1 = const). Статические характеристики снимаются при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи.  Рис. 6.6. Схема транзистора, представленного в виде четырехполюсника Входные и выходные ВАХ аналогичны характеристикам полупроводникового диода (рис. 6.7).  Рис. 6.7. Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу П1, который работает при прямом напряжении, поэтому они подобны ВАХ для прямого тока диода. Выходные характеристики относятся к коллекторному переходу П2, работающему при обратном напряжении, поэтому они подобны обратным ветвям ВАХ диода. Виды ВАХ зависят от способа включения транзистора. Их существует три: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Различие между схемами определяется тем, какой из выводов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Под входом и выходом каскада понимаются точки, между которыми действуют входное и выходное переменные напряжения. 6.3. Схема включения транзистора с общей базой Схема включения транзистора с общей базой и распределения токов в его структуре представлены на рис. 6.8. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) имеет следующие семейства характеристик: – выходные Iк = f (UКБ) при постоянном значении тока эмиттера Iэ1=1const; – входные IЭ = f (UЭБ) при постоянном напряжении UКБ = const.  Рис. 6.8. Распределение токов в схеме включения транзистора с общей базой Выходные характеристики схемы включения транзистора с общей базой приведены на рис. 6.9. На выходных характеристиках схемы можно выделить три области. Область I – область сильной зависимости тока коллектора IК от напряжения UКБ. Она расположена левее оси ординат. Между коллектором и базой прикладывается напряжение: UКБ = – UК – U’КБ, (6.9) где UК – напряжение на p-n-переходе; U’КБ – внешнее напряжение. При напряжении U’КБ = 0 при токе эмиттера Iэ 0 ток коллектора Iк 0, поэтому, чтобы уменьшить значение тока коллектора IК, необходимо подать положительное значение напряжения U’КБ, то есть перевести коллектор в режим эмиттера. Тогда потоки дырок взаимно компенсируются и ток коллектора IК станет равен нулю.  Рис. 6.9. Семейство выходных характеристик схемы включения транзистора с ОБ Область II – область слабой зависимости тока коллектора IК от напряжения UКБ. При подаче отрицательного значения напряжения U’КБ характеристики немного поднимаются за счет эффекта модуляции толщины базового слоя. Повышение напряжения UКБ приводит к уменьшению толщины базы, а, следовательно, к увеличению коэффициента переноса неосновных носителей через базу и, соответственно, коэффициента передачи тока . Область III – область теплового пробоя, так как существует предел повышения напряжения UКБ. Входные характеристики схемы включения транзистора с общей базой приведены на рис. 6.10. Кривая, полученная при значении напряжения UКБ1 = – 5 В, размещается левее и выше кривой, полученной при напряжении UКБ = 0 вследствие явления базовой модуляции. При UКБ = 0 переход П2 закорочен и не влияет на ток базы. Изменение UКБ (на коллекторном переходе) вызывает модуляцию (уменьшение) ширины базы. С ростом UКБ это приводит к увеличению градиента концентрации инжектированных в базу дырок, в результате чего увеличивается ток диффузии, то есть ток эмиттера.  Рис. 6.10. Семейство входных характеристик схемы включения транзистора с общей базой Напомним, что диффузия – перемещение носителей заряда в направлении понижения их концентрации. Такое перемещение зарядов в полупроводнике образует ток диффузии, прямо пропорциональный градиенту концентрации, представляющему собой отношение изменения концентрации носителей заряда данного знака к расстоянию, на котором происходит это изменение. 6.4. Схема включения транзистора с общим эмиттером Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) и распределение токов в его структуре представлены на рис. 6.11. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) имеет следующие семейства характеристик: – выходные IК = f (UКЭ) при постоянном значении тока базы IБ = const; – входные IБ = f (UЭБ) при постоянном напряжении UКЭ = const. Напряжение на эмиттерном переходе П1 определяет напряжение UБЭ, а на коллекторном переходе П2 – разность напряжений UКЭ – UБЭ. На выходных характеристиках выделяют три области (рис. 6.12).  Рис. 6.11. Распределение токов в схеме включения транзистора с общим эмиттером  Рис. 6.12. Семейство выходных характеристик схемы включения транзистора с ОЭ На выходных характеристиках можно выделить три области: – область I – начальная область, область сильной зависимости тока коллектора IК от напряжения UКЭ; – область II – область слабой зависимости тока коллектора IК от напряжения UКЭ; – область III – пробой коллекторного перехода. Характеристики начинаются из начала координат. При UКЭ = 0 напряжение на коллекторном переходе будет равно напряжению UБЭ, коллекторный переход открыт, поток дырок из коллектора в базу и из эмиттера в коллектор компенсируется, ток коллектора IК = 0. По мере возрастания напряжения | UКЭ | прямое напряжение на переходе П2 снижается, его инжекция уменьшается и увеличивается ток IК. На границе областей I и II прямое напряжение снимается с перехода П2 и в области II на переход действует обратное напряжение (UКЭ UБЭ). Входные характеристики схемы включения транзистора с общим эмиттером приведены на рис. 6.13.  Рис. 6.13. Семейство входных характеристик схемы включения транзистора с ОЭ При значении UКЭ = 0 входная характеристика соответствует прямой ветви ВАХ p-n-перехода. При увеличении значения напряжения | UКЭ | характеристики смещаются вниз за счет эффекта модуляции базы. При UКЭ 0 при UБЭ = 0 ток базы IБ < 0 за счет протекания обратного тока IКО через p-n-переход. 6.5. Схема включения транзистора с общим коллектором Схема включения транзистора с общим коллектором и распределение токов в его структуре приведены на рис. 6.14. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) имеет следующие семейства характеристик: – выходные IЭ = f (UЭК) при постоянном значении тока базы IБ = const; – входные IБ = f (UБК) при постоянном напряжении UЭК = const. Характеристики схемы с общим коллектором схожи с характеристиками схемы с общим эмиттером, так как они снимаются при условии RК = RЭ = 0.  Рис. 6.14. Распределение токов в схеме включения транзистора с общим коллектором 6.6. Схемы включения транзистора как усилителя электрических сигналов Одна из основных областей применения биполярного транзистора - усиление электрических сигналов. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, подают на два каких-либо электрода, и с двух электродов схемы снимают усиленный сигнал. В усилительных схемах биполярные транзисторы работают в активном режиме, напряжения на их выводах содержат постоянную и переменную составляющие. 6.6.1. Схема включения транзистора с общей базой Схема включения транзистора с общей базой как усилителя сигналов приведена на рис. 6.15. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь эмиттера, сопротивление нагрузки Rн – в цепь коллектора.  Рис. 6.15. Схема включения транзистора с общей базой как усилителя сигналов 6.6.2. Схема включения транзистора с общим эмиттером Схема включения транзистора с общим эмиттером как усилителя сигналов приведена на рис. 6.16. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь базы, сопротивление нагрузки Rн – в цепь коллектора.  Рис. 6.16. Схема включения транзистора с общим эмиттером 6.6.3. Схема включения транзистора с общим коллектором Схема включения транзистора с общим коллектором как усилителя сигналов приведена на рис. 6.17. Источник сигнала (ИС) в этой схеме включается в цепь базы, сопротивление нагрузки Rн – в цепь эмиттера.  Рис. 6.17. Схема включения транзистора с общим коллектором Используя статические характеристики транзистора, можно определить важные параметры основных схем включения транзистора. Свойства схем усиления на транзисторах определяются коэффициентами усиления по току kI, напряжению kU, мощности kP и значением сопротивлений входной Rвх и выходной Rвых цепей. Эти параметры могут быть определены экспериментально и рассчитаны по характеристикам с помощью следующих выражений:  (6.10)  (6.13)  (6.11)  (6.14) ; (6.12)Значения параметров можно представить в виде таблицы (табл. 6.1). Таблица 6.1 Параметры основных схем включения транзисторов
6.7. Краткие характеристики схем включения транзистора. Области применения схем 6.7.1. Схема включения транзистора с общей базой Транзистор не обеспечивает усиления по току, но имеет усиление по напряжению и по мощности. Входное сопротивление Rвх – мало, а выходное сопротивление Rвых – большое. Это создает затруднения при согласовании входного сопротивления с сопротивлением генератора сигналов, а так же при реализации мощности в цепи нагрузки. Схема с общей базой используется редко. Основная область применения – высококачественные усилители, имеющие малые искажения формы сигналов, низкие уровни шумов или работающие на высоких частотах. 6.7.2. Схема включения транзистора с общим эмиттером Является основной (наиболее универсальной) схемой включения. Транзистор обеспечивает значительное усиление по напряжению, по току и по мощности. Входное сопротивление Rвх в схеме много больше, чем в схеме с общей базой, что облегчает его согласование с сопротивлением генератора сигналов. Это является достоинством схемы. Выходное сопротивление Rвых в схеме с общим эмиттером меньше, чем в схеме с общей базой, что также является достоинством схемы. Однако оно достаточно велико, что позволяет включать нагрузку, сопротивление которой намного больше входного сопротивления. Это, в свою очередь, позволяет получать достаточно высокое усиление напряжения сигнала. 6.7.3. Схема включения транзистора с общим коллектором Коэффициент ki в схеме с общим коллектором несколько больше, чем в схеме с общим эмиттером. Усиления по напряжению схема с общим коллектором не дает, входное сопротивление Rвх – велико, выходное сопротивление Rвых – мало, что является основным полезным свойством схемы. На основе схемы с общим коллектором строятся эмиттерные повторители, обеспечивающие согласование источников сигналов с большим внутренним сопротивлением с низкоомной нагрузкой. |