Электротехника и электроника (стр. 7 )

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

Входная характеристика имеет вид, показанный на рисунке.

При напряжении Uкэ = 0 оба перехода транзистора открыты и через них электроны инжектируются из эмиттера и коллектора в базу. С изменением положительного напряжения Uбэ (при Uкэ = 0) токи переходов изменяются по экспоненциальному закону. Поэтому же закону изменяется и количество рекомбинирующих подвижных носителей зарядов, которые и определяют ток базы.

Увеличение напряжения на коллекторе приводит к так называемому эффекту модуляции базы. Суть этого явления заключается в том, что при изменении Uкэ изменяется толщина запирающего слоя коллекторного перехода. Это приводит к изменению объема базы, в котором протекают рекомбинационные процессы, определяющие ток базы. Другими словами ток базы уменьшается.

Выходная характеристика

Выходные характеристики показывают, что при увеличении напряжения вначале ток коллектора резко возрастает, а затем изменяется не значительно. Действительно подача даже малой величины напряжения Uкэ приводит к тому, что в коллекторном переходе появляется ускоряющее поле, которое выводит экстрагированные подвижные основные носители заряда во внешнюю цепь. При дальнейшем увеличении напряжения Uкэ толщина базы уменьшается, следовательно, уменьшается и напряжение, прикладываемое к базе. Уменьшение Uбэ должно приводить к уменьшению и тока коллектора (за счет уменьшения тока базы). Для поддержания прежнего значения Uбэ его приходится увеличивать, увеличивая одновременно и ток эмиттера. В результате происходит взаимная компенсация тока базы, током эмиттера.

На самоподготовке начертить входную и выходную характеристику биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но имеющего проводимость p-n-p.

По имеющимся статическим характеристикам можно определить статические параметры транзистора, как элемента радиоэлектронной цепи.

Для определения статических параметров широко используют систему уравнений, которую называют уравнениями транзистора в h параметрах:

       uвх = h11iвх + h12uвых;        (3.5)

       iвых = h21iвх + h22uвых.

Используемые в (3.5) h параметры имеют определенный физический смысл.

Параметр

       

представляет собой входное сопротивление транзистора, позволяющее оценить влияние прибора на предыдущие участки цепи.

Величина

       

является коэффициентом внутренней обратной связи, позволяющим оценить влияние выходного напряжения на входной ток по сравнению  с влиянием на него входного напряжения.

Параметр

       

представляет собой коэффициент передачи по току. Значение этого коэффициента позволяет оценить усилительные свойства транзистора.

Коэффициент

       

характеризует собой выходную проводимость транзистора, позволяющие оценить шунтирующее влияние прибора на последующие участки цепи.

1.7.1.4. Режимы работы

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах: активном, режиме отсечки и режиме насыщения. 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 транзистора работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режим отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.

Выводы:

1. Биполярный транзистор представляет собой прибор, в котором управление током коллекторного перехода осуществляется током эмиттерного перехода.

2. Наиболее приемлемой в усилительных каскадах является схема с общим эмиттером, в каскадах, работающих на высокой частоте или в узлах, где требуется высокая температурная стабильность – схема с общей базой, в устройствах, где требуется исключить влияние последующего каскада на предыдущий – схема с общим коллектором.

3. Активный режим работы транзистора является основным режимом.

1.7.2. Полевые транзисторы

Как мы с вами уже знаем одним из основных недостатков биполярных транзисторов является его малое входное сопротивление. Полностью свободными от него удалось в полевых транзисторах.

9.7.2.1. Устройство и принцип действия полевых транзисторов

Определение. Полевым транзистором называют полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем. Его действие основано на движении носителей одного знака.

В современной электронике наибольшее распространение получили полевые транзисторы двух типов: полевой транзистор с управляющим p-n переходом и полевой транзистор с изолированным затвором. Рассмотрим их подробнее.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом, а также его условное графическое обозначение приведено на рисунок 1.

Рисунок 1

Электрод, из которого в канал вытекают основные носители заряда, называется истоком (Source). Из канала носители проходят к электроду, который называется стоком (Drain). Исток и сток аналогичны катоду и аноду электронной лампы соответственно. Управляющий электрод, предназначенный для регулирования площади поперечного сечения канала, называется затвором (Gate).

Проводимость канала может быть электронной и дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то он называется n – каналом. Соответственно, каналы с дырочной проводимостью называют р каналами.

В рабочем состоянии на затвор полевого транзистора подают обратное напряжение, которое создает запирающий (обедненный) слой. Этот слой, конструктивно располагающийся в канале, меняет площадь его поперечного сечения, ограничивая тем самым поток основных носителей заряда.  Если увеличивать напряжение затвора uз-и, то запирающий слой p-n перехода становится толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Следовательно, его сопротивление постоянному току Rо возрастает, и ток стока iс становится меньше.

Полевой транзистор с изолированным затвором

В полевых транзисторах с изолированным затвором электрод затвора изолирован от полупроводникового канала с помощью слоя диэлектрика или двуокиси кремния SiO2. Электроды стока и истока располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом. Так как затвор изолирован от канала, то ток утечки пренебрежительно мал даже при повышенных температурах. Иначе такие приборы называют МДП транзисторами (от слов металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП транзисторами (от слов металл-оксид-полупроводник).

Полупроводниковый канал может быть обеднен носителями или обогащен ими. При обедненном канале электрическое поле затвора повышает его проводимость, поэтому канал называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то он называется встроенным. Электрическое поле затвора в этом случае приводит к обеднению канала носителями зарядов.

Устройство и условное графическое обозначение транзистора с изолированным затвором, встроенным каналом приведено на рисунке 2.

Рисунок 2

Принцип работы такого транзистора состоит в следующем. Если при нулевом напряжении затвора uз-и приложить напряжение uс-и, то через канал потечет ток представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не пойдет, так как один из p-n переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока (uз-и < 0), а следовательно, и относительно кристалла, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области стока, истока и в кристалл. Канал обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем меньше этот ток. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

Если же на затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, создаваемого этим напряжением, из областей истока и стока, а также из кристалла в канал будут приходить электроны; проводимость канала при этом увеличится и ток стока возрастет. Этот режим называют режимом обогащения.

Устройство полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом, а также его условное графическое обозначение приведены на рисунке 3.

От предыдущего он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор напряжения определенной полярности. При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком расположен только кристалл р типа и на одном из p-n переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии напряжение между истоком и стоком очень велико, то есть транзистор заперт. В случае подачи на затвор положительного напряжения, то под влиянием поля затвора электроны проводимости будут перемещаться из области истока в область стока и из р области по направлению к затвору. Когда напряжение затвора превысит некоторое отпирающее, или пороговое значение, то в приповерхностном слое концентрация электронов настолько увеличится, что превысит концентрацию дырок, и в этом случае произойдет образование тонкого канала n типа и транзистор начнет проводить ток. Чем больше положительное напряжение затвора, тем больше проводимость канала и ток стока.