Электротехника и электроника (стр. 6 )

2. Если приложенное напряжение уменьшает контактную разность потенциалов p-n перехода, то оно называется прямым, а если повышает его то обратным.

1.7. Транзисторы

Транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, обладающий усилительными свойствами и имеющий не более двух переходов. Транзисторы, выполненные на базе двух несимметричных p-n переходов, называются биполярными.

1.7.1. Биполярные транзисторы

Определение. Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода. Переходы образуются на границе раздела трех областей прибора: эмиттера, базы и коллектора.

Эмиттер (Э) представляет собой область с наибольшей концентрацией основных подвижных носителей заряда. Часть прибора с меньшей концентрацией носителей заряда называется коллектором (К). База (Б) является средней областью транзистора. Она обладает основными подвижными носителями заряда противоположного знака с наименьшей по сравнению с эмиттером и коллектором концентрацией. В зависимости от чередования областей р и n различают транзисторы p-n-p и n-p-n типа. На условных графических обозначениях стрелочкой показано направление протекания тока при прямом включении эмиттерного перехода (на р область «плюс», на n – «минус»).

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие состоит лишь в том, что в приборe p-n-p типа основной ток создается дырками, а в транзисторах n-p-n типа – электронами. Рассмотрим принцип работы транзистора на примере прибора p-n-p типа.

1.7.1.1. Принцип работы

При отсутствии внешнего электрического поля транзистор представляет собой электрически нейтральную трехслойную полупроводниковую структуру. В рабочем состоянии напряжения к электродам транзистора должны быть приложены так, чтобы эмиттерный переход был открыт (Uбэ > 0), а коллекторный закрыт (Uбк < 0). Через открытый переход имеет место инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер.

Определение. Инжекцией называется процесс диффузии подвижных носителей заряда через p-n переход под действием прямого напряжения.

Определение. Экстракцией называется процесс переноса не основных носителей заряда через p-n переход, смещенный в обратном направлении.

Эти процессы определяют электронную Iэn и дырочную Iэр составляющую тока эмиттера:

       Iэ = Iэn + Iэр.

Так как концентрация дырок в эмиттере достаточно большая, то ток эмиттера определяется в основном инжекцией дырок. Относительная величина дырочной компоненты Iэр оценивается коэффициентом инжекции ν:

       Iэр = ν⋅ Iэ.        (3.1)

Попадая в базу инжектированные дырки, становятся для нее неосновными носителями и в процессе диффузии могут рекомбинировать с ее электронами. Если толщина базы меньше чем диффузионная длина подвижных носителей заряда, то большинство дырок, не успевая рекомбинировать, попадает в ускоряющее для них поле запертого коллекторного перехода и выносится в коллектор, замыкая цепь тока транзистора. С учетом рекомбинации в базе ток коллектора:

       Iк = γIэр + IКБО,

где γ < 1 – коэффициент переноса электронов в базе, учитывающий их частичную рекомбинацию, IКБО – обратный ток коллекторного перехода, определяемый его собственными неосновными подвижными носителями зарядов. Принимая во внимание выражение (3.1) получаем:

       Iк = γ⋅ν⋅Iэ + IКБО = α⋅ Iэ + IКБО,        (3.2)

где α - коэффициент передачи эмиттерного тока. Обычно α = (0,95…0,995).

На основании закона Кирхгофа имеем:

       Iб = Iэ – Iк.        (3.3)

При изменении напряжение Uбэ изменяется количество инжектированных в базу дырок, а, следовательно, и количество дырок, экстрагированных из базы в коллектор. Таким образом, транзистор представляет собой прибор, в котором управление током коллекторного перехода осуществляется током эмиттерного перехода. Как следует из (3.2) ток коллектора мало, чем отличается от тока эмиттера. Поэтому при включении в цепь коллектора резистора с достаточно большим сопротивлением можно получить на нем падение напряжения, превышающее входное Uбэ. Эта особенность транзисторов обуславливает их широкое применение в качестве усилительных элементов функциональных узлов РЭО.

1.7.1.2. Схемы включения

В зависимости от того, какой из трех электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают следующие схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК). Рассмотрим их особенности.

Схема с общей базой

В схеме с общей базой входным током является ток эмиттера Iэ, определяемый Uэб. Выходным током и напряжением считаются Iк и Uкб. Рассматриваемая схема включения совпадает с схемой, на примере которой мы рассматривали принцип работы. Поэтому остановимся только на её особенностях.

Особенностями данной схемы включения является следующее:

высокая температурная стабильность; незначительная зависимость коэффициента α от частоты (возможность работы на высоких частотах); отсутствует фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением; малые искажения при усилении сигнала; высокое выходное сопротивление; малый коэффициент усиления по мощности; малое входное сопротивление.

Следует отметить, что последние два параметра являются существенными недостатками, ограничивающими широкое применение схемы с общей базой.

Схема с общим эмиттером

Внимание! Ошибка. В скобках указаны правильные потенциалы на выводах транзистора.

В схеме с общим эмиттером входным током является ток базы Iб, определяемый Uбэ. Выходным током и напряжением считаются Iк и Uкэ. Выходной ток в рассматриваемой схеме определяется на основании выражений (3.2) и (3.3):

       Iк =αIэ + IКБО;  Iк = α(Iк + Iб) + IКБО.

Раскрыв скобки и выполнив несложные математические преобразования получаем:

       .        (3.4)

где

       ,

коэффициент передачи базового тока. Коэффициент передачи базового тока лежит в пределах от 20 до 200 единиц.

Особенностями схемы с общим эмиттером является:

возможность питания ее от одного источника питания (на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного и того же знака); высокий коэффициент усиления по мощности; наличие фазового сдвига на 180о между входным и выходным напряжением (инвертирует сигнал); высокая зависимость характеристик транзистора от частоты и температуры.

Первые два параметра делают эту схему наиболее приемлемой для широкого применения.

Схема с общим коллектором

Внимание! Ошибка. В скобках указаны правильные потенциалы на выводах транзистора.

В схеме с общим коллектором входным током является ток базы Iб, обусловленный напряжением запертого перехода Uбк. Выходным током является ток эмиттера Iэ, а выходным напряжением Uэк.

Выходной ток транзистора:

       Iэ =Iк + Iб = β Iб + (β+1)IКБО + Iб;

       Iэ = (β+1)Iб +(β+1) IКБО.

Особенностями схемы с общим коллектором является:

сильное влияние выходного напряжения на входное (сильная отрицательная обратная связь); малый коэффициент усиления по мощности; большое входное сопротивление (за счет большого сопротивления обратно смещенного коллекторного перехода); нулевой фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением.

На практике схему с общим коллектором обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что сопротивление нагрузки включается в цепь эмиттера. А выходное напряжение повторяет форму входного.

1.7.1.3. Статические характеристики и параметры

О свойствах транзистора при различных способах его включения можно судить по взаимной зависимости всех его токов (Iэ, Iк, Iб) и напряжений (Uэб, Uбк, Uэк). Такие зависимости, полученные для установившихся режимов и без учета влияния предыдущих и последующих участков цепи, называются статическими характеристиками. Очевидно, что, используя различные комбинации токов и напряжений, выбранных в качестве аргументов, функций или сопутствующих параметров, можно получить большое количество разнообразных семейств статических характеристик.

Различают входные, выходные и проходные статические характеристики транзистора. Для их определения в зависимости от проводимости и схемы включения используют представление транзистора в виде четырехполюсника. Например, для транзистора структуры n-p-n, включенного по схеме с общим эмиттером имеем:

Следовательно, входной статической характеристикой биполярного транзистора структуры n-p-n, включенного по схеме с общим эмиттером будет называться зависимость тока базы Iб от напряжения база – эмиттер Uбэ при постоянном напряжении коллектор – эмиттер Uкэ.

Аналогично самостоятельно запишите в конспект определения выходной и проходной статической характеристик биполярного транзистора рассматриваемой структуры и схемы включения.

Статической выходной характеристикой биполярного транзистора структуры n-p-n, включенного по схеме с общим эмиттером называется зависимость тока коллектора Iк от напряжения коллектор – эмиттер Uкэ при постоянном напряжении база - эмиттер Uбэ.