Транзисторы (работа 3)
Введение
Полупроводниковые приборы ( диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности. Для конструирования надёжных схем на транзисторах, то есть для правильного выбора типа транзистора, грамотного расчёта схем, выбора оптимального теплового и электрического режимов, необходимо располагать подробными сведениями, характеризующими эксплуатационные свойства транзисторов.
Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника
Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.
Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.
Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные корпуса ).
Основные материалы из которых изготовляют транзисторы — кремний и германий, перспективные – арсенид галлия , сульфид цинка и широко зонные проводники .
Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.
Биполярный транзистор представляет собой транзистор, в котором используются заряды носителей обеих полярностей.
Электронно – дырочный p – n переход
В основе принципа действия подавляющего большинства полупроводниковых приборов лежат процессы, происходящие в переходном слое, образованном в полупроводнике на границе двух зон с проводимостями различного типа, p и n типа. Для простоты эту границу принято называть p – n переходом, или электронно - дырочным переходом, что характеризует вид основных носителей зарядов в двух примыкающих друг к другу зонах полупроводника.
Различают два вида p – n переходов: плоскостной и точечный. Плоскостной переход получается путём помещения кусочка примеси, например, индия на поверхность германия n типа и последующего нагревания до расплава примеси. При поддержании определённой температуры в течение определённого времени происходит диффузия части атомов примеси в пластинку полупроводника на небольшую глубину. Создаётся зона с проводимостью, противоположной проводимости исходного полупроводника, в данном случае p типа для n германия.
Точечный переход получается в результате установления плотного электрического контакта тонкого проводника, имеющего электронную проводимость, с поверхностью полупроводника p типа. Именно на этом принципе действовали первые кристаллические детекторы, которые применялись в 20 – 30-х годах.
Но такие детекторы были крайне чувствительны к положению заострённого конца проволочки на поверхности полупроводника, к чистоте его поверхности, вследствие чего приходилось очень часто подстраивать его. Своё название детектор получил от английского слова, означающего устройство, предназначенное для обнаружения в данном случае сигнала и чувствительной точки. В настоящее время точечные переходы получаются путём вплавливания конца тонкой металлической проволоки в поверхность полупроводника n типа. Вплавление осуществляется в момент подачи кратковременного мощного импульса электрического тока. Под действием тепла, которое образуется за этот короткий промежуток времени, часть электронов вырывается из атомов полупроводника, находящихся вблизи точечного контакта, оставляя после себя дырки. В результате этого небольшой объём полупроводника n типа в непосредственной близости от контакта превращается в полупроводник p типа.
Характерной особенностью p – n перехода является резко выраженная зависимость его электрической проводимости от полярности приложенного к нему внешнего напряжения, чего никогда не наблюдается в полупроводнике одной проводимости. Для того чтобы уяснить, почему это происходит, надо обратиться к действию внешнего напряжения различной полярности, прикладываемого к двум зонам полупроводника, имеющим проводимости разного типа.
В том случае, когда положительный полюс напряжения приложен к зоне p, где основными носителями заряда являются дырки, а отрицательный полюс – к зоне n, где основные носители заряда – электроны, под действием внешнего поля дырки будут отталкиваться положительным потенциалом, а электроны – отрицательным. Под действием этих сил дырки и электроны будут двигаться навстречу друг другу, к p – n переходу, где происходит их рекомбинация. Пока приложено напряжение, через переход всё время течёт ток. Чем больше напряжение, тем больше будет ток через переход. В этом случае принято говорить, что переход включён в прямом направлении, характеризующемся малым сопротивлением и большим током.
Если изменить полярность включения внешнего источника, то дырки будут притягиваться к отрицательному полюсу, а электроны – к положительному. Под действием этих сил электроны и дырки будут двигаться в направлении от перехода, вследствие чего переход будет обеднён носителями заряда, число рекомбинаций значительно сократится, и, как следствие этого, ток через переход станет очень малым. В этом случае говорят, что к переходу приложено напряжение в обратном, запорном направлении, когда сопротивление перехода велико, проводимость и ток малы. Благодаря своей способности хорошо пропускать ток в одном направлении и плохо - в другом p – n переход обладает выпрямляющими свойствами, широко используемыми в полупроводниковых диодах, являющихся самыми простыми и исторически самымипервыми полупроводниковыми приборами. В соответствии с видом перехода различаются плоскостные и точечные диоды, которые могут быть кремниевыми или германиевыми.
Величина токов в прямом и обратном направлениях различаются в десятки, сотни раз. Обращает на себя тот факт, что зависимость тока от величины напряжения не является линейной. Резкое увеличение тока в обратном направлении при большом запирающем напряжении указывает на ухудшение электрической прочности перехода при высоком напряжении.
Другой характерной особенностью p – n перехода является сильная зависимость его свойств от температуры. По мере повышения температуры значительно возрастает обратный ток перехода, снижается допустимое обратное напряжение. При повышении температуры и неизменном напряжении прямой ток увеличивается. При этом для сохранения прежнего значения тока необходимо уменьшать напряжение смещения в среднем на 5о МВ на каждые 10 градусов.
Использование свойств p – n перехода лежит в основе принципа действия различных видов полупроводниковых приборов, самыми распространёнными из которых являются полупроводниковые диоды и транзисторы.
Биполярные транзисторы
В отличие от полупроводниковых диодов биполярные транзисторы имеют два электронно – дырочных перехода. Основанием прибора служит пластина полупроводника, называемая базой. С двух сторон в неё вплавлена примесь, создающая области с проводимостью, отличной от проводимости базы. Таким образом получают транзистор типа n – p – n, когда крайние области являются полупроводниками с электронной проводимостью, а средняя – полупроводником с дырочной проводимостью, и транзистор типа p – n – p, когда крайние области являются полупроводниками с дырочной проводимостью, а средняя – полупроводником с электронной проводимостью. Нижнюю область называют эмиттером, а верхнюю коллектором. На границах областей с различной проводимостью образуются два перехода. Переход, образованный вблизи эмиттера, называется эмиттерным, вблизи коллектора – коллекторным. При использовании транзистора в схемах на его переходы подают внешние напряжения. В зависимости от полярности этих напряжений каждый из переходов может быть включён либо в прямом, либо в обратном направлении. Соответственно различают три режима работы транзисторов: режим отсечки, когда оба перехода заперты; режим насыщения, когда оба перехода отперты; активный режим, когда эмиттерный переход частично отперт, а коллекторный заперт. Если же эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный - в прямом, то транзистор работает в обращённом (инверсном) включении.
В основном транзистор используется в активном режиме, где для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении на базу транзистора типа p – n – p подают отрицательное напряжение относительно эмиттера, а коллектор смещают в обратном направлении подачей отрицательного напряжения относительно эмиттера. Напряжение на коллекторе обычно в несколько раз больше напряжения на эмиттере.
Классификация. Транзисторы квалифицируются по исходному материалу, рассеиваемой мощности, диапазону рабочих частот, принципу действия и т. д. В зависимости от исходного материала их делят на две группы: германиевые и кремниевые. Германиевые транзисторы работают в интервале температур от – 60 до + 78…85 градусов, кремниевые – от -60 до + 120…150 градусов. По диапазону рабочих частот их делят на транзисторы низких, средних и высоких частот, по мощности – на классы транзисторов малой, средней и большой мощности. Транзисторы малой мощности делят на шесть групп: усилители низких и высоких частот, малошумящие усилители, переключатели насыщенные, ненасыщенные и малотоковые ( прерыватели ); транзисторы большой мощности – на три группы: усилители, генераторы, переключатели. По технологическому признаку разделяют транзисторы сплавные, сплавно – диффузионные, диффузионно – сплавные, планарные, эпитаксиальные, конверсионные, эпитаксиально – планарные.
Обозначение типа биполярных транзисторов состоит из нескольких элементов. Первый элемент обозначает исходный материал, из которого изготовлен прибор: германий или его соединения – Г; кремний или его соединения – К; соединения галлия – А. Для транзисторов, используемых в устройствах специального назначения, установлены следующие обозначения исходного материала: германий или его соединения – 1; кремний и его соединения – 2; соединения галлия – 3. Второй элемент – подкласс полупроводникового прибора. Для биполярных транзисторов вторым элементом является буква. Третий элемент – назначение прибора. Четвёртый и пятый элементы – порядковый номер разработки и технологического типа прибора ( от 01 до 99). Шестой элемент – деление технологического типа на параметрические группы ( буквы русского алфавита от А до Я). Например, транзистор, предназначенный для устройств широкого применения, германиевый, низкочастотный, малой мощности, номер разработки 15, группа А – ГТ115А.
Наборы дискретных полупроводниковых приборов обозначаются в соответствии с их разновидностью и перед последнем добавляется букв С.
Обозначение типа транзисторов, разработанных до 1964 года, состоит из трёх элементов: первый – буква П (полупроводниковый триод, транзистор); второй – цифра (порядковый номер разработки); третий – буква, соответствующая разновидности транзистора данного типа. В обозначение модернизированных транзисторов входит буква М (например, МП101А, МП21В).
Усилительные свойства биполярных транзисторов
Усиление тока
Обычно зависимость тока коллектора от тока эмиттера выражается через коэффициент усиления по току, который обозначается буквой а («альфа»). Этот коэффициент определяется как отношение приращения тока коллектора Iк к воззвавшему его приращению тока эмиттера Iэ, а именно
За счёт близкого расположения переходов и вследствие совершенной технологии производства величина а современных плоскостных транзисторов обычно находится в пределах от 0,9 до 0,997.
Одному и тому же приращению тока эмиттера будут соответствовать различные значения вызванного им приращения тока коллектора в зависимости от выбора исходной рабочей точки на характеристике. Это говорит о том, что величина коэффициента а зависит от напряжения на коллекторе и тока эмиттера.
При малых напряжениях коллектора коэффициент а растёт с увеличением напряжения. Это объясняется в основном тем, что при малых напряжениях носители зарядов базы вяло втягиваются в коллектор, но чем больше напряжение на коллекторе, тем энергичнее происходит втягивание. Нак5онец, при напряжении около 2 – 3 в практически все носители зарядов, оказывающиеся вблизи коллекторного перехода, попадают на коллектор. Поэтому дальнейший рост тока коллектора по мере увеличения напряжения на нём практически прекращается, а ток базы несколько уменьшается. При напряжении, близком к максимально допустимому для данного типа транзистора ( обычно 15 – 60 в, иногда более), вновь наблюдается заметный рост величины коэффициента а, которая может достичь единицы и более. Но такой режим работы практически не используется и обычно не рекомендуется, так как резко возрастает опасность выхода из строя транзистора.
Зависимость величины коэффициента а от режима работы транзистора вызывает необходимость проведения измерений при относительно небольших приращениях тока эмиттера. Обычно в таких случаях величина приращения Iэ не превышает 5 – 10 % исходного значения тока эмиттера Iэ:
Iэ < (0,05 – 0,1)Iэ.
Зная приращение тока эмиттера Iэ и величину коэффициента а, можно определить связанное с этим приращение тока базы Iб.
Действительно ток базы Iб = Iэ – Iк. Если выразить ток Iк через Iэ, как
Iк = аIк, то получим: Iб = Iэ – аIэ = Iэ (1-а). Отсюда следует:
Учитывая,
что величина величина
весьма
близка к единице, из последнего выражения
можно сделать вывод: изменение тока
эмиттера в
раз больше связанного с ним изменения
тока базы.
Например,
если
,
то
;
если
,
то
.
Таким образом, изменяя величину тока базы, можно управлять током эмиттера и, следовательно, током коллектора.
Усиление транзистора по току зависит от схемы включения транзистора.
В зависимости от того, какой из трёх электродов транзистора является общим для цепей двух других, различаются три основные схемы (способа) включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Кроме трёх основных, есть ещё четвёртая, комбинированная, схема включения, называемая схемой с разделённой нагрузкой. В схеме с разделённой частью нагрузки включена в цепь коллектора (как в схеме ОЭ), а другая часть – в цепь эмиттера (как в схеме ОК).
В схеме с общей базой входным электродом является эмиттер, выходным коллектор. В соответствии с этим входным параметром является ток эмиттера Iэ, выходным – ток коллектора Iк, а коэффициент усиления по току Кi для схемы с общей базой, как это было показано выше, равен:
В схеме с общим эмиттером входным электродом является база, выходным – коллектор. Это значит, что входным параметром является ток базы Iб, выходным – ток коллектора Iк, а коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером равен:
Обычно
коэффициент усиления по току для схемы
с общим эмиттером обозначается буквой
:
Так
как ток базы в большинстве случаев в
десятки – сотни раз меньше тока
коллектора, то величина коэффициента
усиления должна быть много больше
единицы. Действительно, после подстановки
значений
в формулу для
получается:
В этом большие преимущества схемы с
общим эмиттером по сравнению со схемами
с общей базой, усиление по току который
не превышает единицы.
В схемах с общим коллектором входным электродом служит база, выходным – эмиттер. В соответствии с этим входным параметром является ток базы Iб, выходным – ток эмиттера Iэ. Коэффициент усиления по току Кi для этой схемы включения равен:
то есть усиление по току для этой схемы включения примерно равно усилению по току схемы с общим эмиттером.
В
схеме с разделённой нагрузкой входным
электродом является база, выходными –
эмиттер и коллектор. Следовательно,
входным параметром является ток базы
Iб,
выходными параметрами – токи эмиттера
и коллектора, Iэ
и Iк.
Коэффициент усиления тока для эмиттерной
цени равен
,
а для коллекторной -
,
то есть в среднем можно считать, что для
обеих выходных цепей
Усиление мощности
Когда говорится об усилительных свойствах того или иного прибора, то обычно имеется в виду в первую очередь усиление по мощности. Количественной оценкой усилительных свойств является коэффициент усиления по мощности Кр, показывающий, во сколько раз выходная мощность Рвых больше мощности, введённой во входную цепь прибора Рвх
Мощность может выражаться через квадрат тока или напряжения. В первом случае
вых;
вх
Следовательно,
где Кi – коэффициент усиления по току.
Во втором случае
следовательно,
Где
- коэффициент усиления по напряжению.
В том случае, когда известна величина Кр, а требуется найти усиление по напряжению, можно воспользоваться производной формулой:
Последняя формула часто используется для оценки усиления различных каскадов на транзисторах.
Поскольку величина Кр не зависит от того, через какие именно величины U и I её находили, то можно приравнивать между собой
отсюда следует:
.
Таким образом, зная коэффициент усиления по току Кi, а также величины входного и выходного сопротивлений, можно определить усиление по напряжению или мощности.
В ряде случаев расчёт усиления по напряжению целесообразно производить по формуле:
где
- крутизна входной характеристики
транзистора, определяющая усилительные
свойства прибора. Крутизна входной
характеристики, называемая просто
крутизной S,
имеет размерность ток/напряжение, то
есть а/в или ма/в и характеризует,
насколько изменяется выходной ток
усилительного прибора в амперах или
миллиамперах при изменении входного
напряжения на один вольт. В этом
определение крутизны характеристики
транзистора практически не отличается
от известного определения крутизны
характеристики электронных ламп.
Основное достоинство последней формулы записи усиления напряжения в простоте её написания и применения, поскольку отпадает необходимость в предварительных громоздких расчётах коэффициента усиления тока и входного сопротивления. Используя некоторые приближённые выражения для определения величины S, можно быстро и с достаточной точностью рассчитать усилительные возможности самых разнообразных транзисторных устройств.
Для
анализа тех или иных транзисторных
устройств, кроме знания величин
и S,
необходимо учитывать эквивалентную
схему замещения транзистора. В
эквивалентной схеме замещения наиболее
существенных физических процессов
определённого режима работы транзистора
в данном устройстве находят отражение
в виде некоторых активных и пассивных
элементов как, например, генератора
тока, ёмкостей и активных сопротивлений.
Эквивалентная схема, как правило, не учитывает всю совокупность физических свойств транзистора, а лишь только те из них, которые являются определяющими для данного режима работы и диапазона частот. Поэтому различаются эквивалентные схемы для усилительного режима, для режима переключения, низкочастотные, высокочастотные эквивалентные схемы и т. д.
Частотные свойства транзисторов
Приведённые выше усилительные характеристики транзисторов были получены без учёта возможного влияния ёмкостей эмиттерного перехода Сэ и коллекторного перехода Ск, что вполне допустимо при усилении частот, исчисляемых килогерцами. На более высоких частотах с этими ёмкостями приходится считаться, так как их реактивное сопротивление становится соизмеримым с активными сопротивлениями соответствующих переходов. Влияние ёмкостей переходов проявляется в уменьшении входного и выходного сопротивления, что сказывается на усилительных свойствах транзисторов. Чем выше становится частота сигнала, тем меньшим усилением обладает транзистор. Наконец, на некоторых частотах выше определённого предела, свойственного каждому типу транзисторов, усилительные свойства полностью исчерпываются. Это значит, что, начиная с некоторой частоты, усиление транзистора по мощности становится меньше единицы.
Наблюдаемое ухудшение усилительных свойств транзисторов по мере увеличения частоты сигнала физически связано со средним временем перемещения носителей электрических зарядов в базе в направлении от эмиттера к коллектору. В свою очередь, это время определяется средней скоростью и направлением движения носителей, а также толщиной базы.
Чем тоньше базы, те меньше расстояние предстоит пройти носителям, тем лучше частотные свойства транзистора. Например, предельная частота усиления по току fа изменяется обратно пропорционально квадрату толщины базы. Это значит, что уменьшение толщины базы, например, в 2 раза приводит к увеличению предельной частоты в 4 раза.
Средняя скорость движения носителей зависит от знака заряда и температуры кристалла прибора, а направлённость движения определяется электрическим полем, действующим в базе. Средняя скорость движения электронов в 2 раза выше, чем дырок. В связи с этим считается, что при прочих равных условиях транзисторы типа n – p – n должны иметь предельные частоты вдвое выше, чем p – n – p, поскольку неосновными носителями заряда в первом случае являются электроны, а во втором – дырки, имея при этом в виду область базы.
В плоскостных транзисторах, полученных сплавным методом, поле внутри базы практически отсутствует, а поэтому носители заряда распространяются в базе только за счёт диффузии, то есть самопроизвольно и ненаправленно.
Если внутри базы создать электрическое поле, ускоряющие движение носителей от эмиттера к коллектору, то тогда эти носители будут иметь дополнительную составляющую скорости в этом направлении, которая называется дрейфовой составляющей. Последние обстоятельство приведёт к уменьшению времени переноса зарядов, что улучшит частотные свойства транзистора. Такое поле можно создать, например, за счёт неравномерного распределения примесей в базе (максимальная у эмиттера, минимальная у коллектора), что обычно и делается на практике.
Направленное движение электрических зарядов в электрическом поле называется дрейфом, поэтому транзисторы, в базе которых создаётся ускоряющее поле, называются дрейфовыми. В свою очередь, транзисторы, в базе которых отсутствует такое поле, называются бездрейфовыми.
Таким образом, для улучшения частотных свойств транзистора необходимо уменьшить толщину базы и создавать ускоряющее электрическое поле в базе. Сплавные транзисторы, как правило, имеют граничные частоты не выше 20-30 МГц, так как сам метод их изготовления не позволяет получить очень тонкую базу и необходимое распределение примесей в базе.
Диффузионный метод позволяет получать базовый слой толщиной в несколько микрон и требуемое изменение концентраций примесей в базе, что даёт возможность создавать транзисторы, работающие на высоких частотах, измеряемых сотнями мегагерц. Обычно такие транзисторы называются дрейфовыми или диффузионными в зависимости от того, что необходимо подчеркнуть: характер переноса носителей заряда или метод изготовления транзистора.
Максимальной
частотной генерации fмакс
называется частота, на которой коэффициент
усиления по мощности транзистора в
схеме с общей базой равен единице, то
есть
.
Относительная частота f/fмакс
4
0
10000
3
0
1000
20 100
10 10
0 1
1,0
На графике в логарифмическая масштабе приведена относительная частотная характеристика максимального коэффициента усиления по мощности Кр макс, которым обладает транзистор в схеме с общей базой. Наклонный участок характеристики соответствует области частот, где выходное сопротивление транзистора определяется главным образом реактивным сопротивлением ёмкости коллекторного перехода Ск. На этих частотах
Кр
макс =
,
где f – частота усиливаемого сигнала.
Плоская
часть характеристики соответствует
частотам, на которых влиянием ёмкостей
Сэ и Ск можно пренебречь и где Кр макс
Вследствие
большого разброса параметров rк
и rб
может иметь значение от 30 до
40дб.
Таким образом, для того чтобы транзистор мог обеспечить усиление по мощности примерно 10000 раз (40 дб), необходимо выполнение условия
Если
необходимо получить усиление по мощности
не менее 1000 (30 дб), то частота fмакс
должна быть по крайней мере в 30 раз
больше частоты сигнала. В тех случаях,
когда от транзистора требуется усиление
по мощности около 100 раз (20 дб), возможно
применение транзисторов, у которых
fмакс
10f.
Обычно
в справочниках указывается величина
fмакс
высокочастотных транзисторов, у которых
она исчисляется десятками мегагерц. У
транзисторов, максимальная частота
генерации которых составляет сотни
килогерц или несколько мегагерц, обычно
указывается предельная частота усиления
по току в схеме с общей базой fа.
Величина fа
указывает частоту, на которую усиление
по току в схеме с общей базой уменьшается
до
=
0,7
МГц,
где fа – предельная частота усиления по току в МГц;
rб – сопротивление базы на высоких частотах в Ом;
Ск – ёмкость коллекторного перехода в пикофарадах.
Приближенное значение fмакс можно определить и по другой формуле
fмакс = kfа ,
где к – коэффициент пропорциональности.
Для
транзисторов с невысокой частотой fа
(до 2 – 3 МГц) k
= 2 – 3, для транзисторов, у которых fа
= 20 – 30 МГц, k
1, а для более высоких значений fа
k =
0,7 – 0,9.
В большинстве случаев для высокочастотных транзисторов можно допускать k = 0,7.
Таким образом, если известна величина fа, то можно найти составляющее
значение f макс.
Необходимо
указать, что коэффициент усиления по
току в схеме с общей базой на высоких
частотах измеряется модулем коэффициента
,
то есть его абсолютным значением
.
Значение
модуля коэффициента усиления по току
на некоторой частоте f
можно определить по формуле
где
-
значение коэффициента
на
самых низких частотах (несколько сотен
Гц).
Из
формулы видно, что на частотах
величина
,
а на частотах
начинает резко снижаться. По этой причине
для усилителей электрических сигналов
подбираются транзисторы, у которых fа
в несколько раз превышает максимальную
частоту сигнала.
В схеме с общем эмиттером зависимость от частоты максимального усиления по мощности точно такая же, как и для схемы с общей базой. Но снижение усиления по току происходит значительно быстрее, чем это наблюдается в схеме с общей базой.
Усиление
по току на высоких частотах в схеме с
общим эмиттером характеризуется модулем,
т. е. абсолютной величиной коэффициента
,определяемым
по формуле
где
- усиление по току на самых низких
частотах;
fm-
граничная частота усиления по току для
схемы с общим эмиттером, на которой
.
Частота,
на которой
называется
предельной частотой усиления по току
в схеме с общим эмиттером и обозначается
как
:
Эта частота непосредственно не определяет каких – либо частотных пределов применения транзисторов. Однако она указывает ту область частот, в пределах которой можно пренебречь частотной зависимостью параметров транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером.
Шумовые характеристики транзисторов
Транзистор так же, как и любой другой усилительный прибор, обладает некоторыми собственными шумами, наличие которых затрудняет усиление слабых сигналов. Если бы транзистор был идеальным усилительным устройством, то выходные шумы определялись бы только величиной тепловых шумов, действующих на входе усилителя. Шумовые характеристики выражаются коэффициентом шума Fш.
Коэффициентом шума усилителя называется отношение полной мощности шумов на выходе усиления к той части шумов на выходе, которая вызвана тепловыми шумами источника сигнала. Другими словами, коэффициент шума Fш указывает во сколько раз собственные шумы усилителя больше тепловых шумов выходного сопротивления источника сигнала.
Обычно
величина Fш
оценивается в децибелах. Особенностью
транзисторов является то, что для них
величина Fш
во многом зависит от режима по постоянному
току, обратного тока коллектора, выходного
сопротивления источника сигнала и
частоты. Минимальный уровень шумов
большинства типов плоскостных транзисторов
наблюдается при Uк
= 1,5 – 2 в, Iк
= 0,2 – 0,5 ма, минимальном токе Iко
и внутреннем сопротивлении источника
сигнала
= 300 – 1000 ам.
От
самых низких частот до частоты
1000 Гц величина Fш
уменьшается обратно пропорционально
частоте. На частотах выше
вплоть до некоторой частоты
уровень Fш
остаётся минимальным и независимым от
частоты. На частоте выше
величина Fш
растёт примерно пропорционально квадрату
частоты.
Расчёты
и эксперименты показывают, что на частоте
модуль крутизны входной характеристики
составляет 70 % от своего значения на
низких частотах, поэтому в технической
литературе можно встретить и другое
обозначение предельной частоты
,
называемой также предельной частотой
крутизны
Таким
образом, область частот, где наблюдается
заметный рост коэффициента шума,
характеризуется значительным ухудшением
усилительных свойств транзистора,
вследствие чего использование транзисторов
на частотах выше
нецелесообразно.
Обычно коэффициент Fш измеряется га частоте 1000 Гц. При указанных выше режимах современные низкочастотные транзисторы на этой частоте могут иметь коэффициент шума от 3 – 5дб до 30 – 35дб. Высокочастотные транзисторы имеют намного меньше коэффициент шума, который в среднем составляет 6 – 10дб.
Полевые транзисторы.
Общие сведения
Униполярный (полевой) транзистор представляет собой полупроводниковый трёхэлектродный прибор, в котором управление током, создаваемым направленным движением носителей заряда одного знака между двумя электродами, достигается с помощью напряжения (электрического поля), приложенного к третьему электроду. Электроды, между которыми протекает рабочиё ток, носят названия истока и стока, причём истоком считается тот электрод, через которые носители втекают в прибор. Третий электрод называется затвором. Изменение величины рабочего тока в униполярном транзисторе осуществляется путём изменения эффективного сопротивления токопроводящего участка, полупроводникового материала между истоком и стоками называемого каналом. В зависимости от типа проводимости полупроводникового материала канала различают униполярные транзисторы с p и n каналом. В качестве исходного материала обычно используются кремний и германий, вследствие чего одни полярные транзисторы называются кремниевыми, другие – германиевыми.
То обстоятельство, что управление величиной рабочего тока униполярных транзисторов осуществляется с помощью канала, дало им второе наименование – канальные транзисторы. Третье название того же самого полупроводникового прибора – полевой транзистор характеризует то, что управление рабочим током осуществляется электрическим полем (напряжением), а не электрическим током, как это имеет место в биполярном транзисторе. Эта последняя особенность униполярных транзисторов, дающая возможность получать очень высокое входное сопротивление приборов, исчисляемое десятками и сотнями мегом, и определила их основное распространённое название – полевые транзисторы. Это название широко используется в научно – технической и радиолюбительской литературе.
Следует отметить, что среди полевых транзисторов различаются два основных вида приборов – полевые транзисторы с p – n переходом между затвором и каналом и полевые транзисторы с изолированным затвором. Это различие обусловлено, с одной стороны, особенностями их изготовления, а с другой – своеобразием электрических характеристик и схем включения.
Принцип действия и устройство
полевого транзистора с p – n переходом
Примесь n
типа заряд (З)
Рис 1. Продольный
Исток (И)
Сток (С) разрез
полевого
транзистора
с p
каналом и p – n
переходом.
Кристалл p типа
Канал
p– n переход
На рис.1 приведено условное схематическое изображение продольного разреза полевого транзистора с p каналом и p – n переходом. Как видно из этого рисунка, основой является малозаметная пластина полупроводника определённой проводимости ( в данном случае p типа), имеющая на противоположных концах два контакта, исток и сток, обозначённые сокращённо буквами И и С. Толщина пластинки в месте установки третьего электрода – затвора делается очень и очень малой, равной всего нескольким единицам или десяткам микрон. Электронно – дырочный переход получается путём вплавливания или диффузии соответствующей примеси, а управление сопротивлением канала производится за счёт изменения объёма канала полупроводника обеднённого основными носителями или подаче запирающего напряжения на переход. Изменение сопротивления приводит к изменению тока через транзистор. На рис. 1 область, обеднённая носителями, ограничена пунктирной линией.
Своеобразная форма и изменение объёма обеднённой области канала обусловлены тем, что канал транзистора делается из материала с малой концентрацией примеси, высокоомного, тогда как затвор – из материала с большой концентрацией примеси, низкоомного. Поэтому слой обеднённый подвижными носителями заряда, распространяется в область канала, расширяясь по направлению к стоку. Последнее объесняется тем, что величина запирающего напряжения для p – n перехода полевого транзистора возрастает с увеличением расстояния от истока и имеет максимальную величину у стокового конца. Связано это с влиянием дополнительного падения напряжения в канале при прохождении через него тока стока. Отсюда характерная форма обеднённого слоя на участке вблизи стока, вследствие чего ток стока может протекать только через ту часть канала, где ещё присутствуют основные носители заряда.
На рис. 2 изображена зависимость проходного сечения канала полевого транзистора с p – n переходом от напряжения смещения между затвором и истоком (а) и истоком и стоком (б). Как видно из рис.26, а, увеличение
Затвор Сток
Область, обеднённая
носителями
Канал зарядов
Канал
а б
Рис. 2. Зависимость профиля проходного сечения полевого транзистора с p – n переходом от напряжения смещения между затвором и истоком (а) и истоком и стоком (б)
Н
апряжения
смещения перехода приводит к расширению
области обеднённого слоя. Увеличение
же напряжения питания, подаваемого
между стоком и истоком, согласно рис.2,
б, наоборот, сжимает её, делая клиновидной.
И если первый фактор способствует
уменьшению тока, то второй – его
увеличению.
3,0
3,5
I II
III
2,5
3
2,0
2,5 Rc=0 Rc=5к
Rc=0
2
1.5
Rc=5ком
1,5 Rc=15к
1.0
Rc=15ком
1 Ic
0,5
0,5
0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 6
Рис. 3 .Выходная вольт-амперная Рис. 4. Зависимость тока стока от
характеристика полевого транзистора напряжения затвора полевого
транзистора
Сказанное выше позволяет объяснить своеобразный ход вольтамперных характеристик стока при различных величинах напряжения смещения на затворе относительно истока, примерный вид которых показан на рис. 3. Так, когда напряжение смещения равно нулю, область обеднённого слоя минимальна, площадь поперечного сечения канала максимальна, а поэтому ток стока растёт почти линейно по мере увеличения напряжения питания от нуля до некоторой величины, при которой начинает сказываться влияние тока стока на область обеднённого слоя. При дальнейшем повышении напряжения питания наступает насыщение канала и ток через него практически не меняется вплоть до наступления лавинного пробоя, который наблюдается при напряжении питания, равном обычно нескольким десяткам вольт.
При подаче небольшого запирающего напряжения область обеднённого слоя увеличивается в объёме, проходное сечение канала уменьшается, и, как следствие этого, снижается ток стока. В этом случае насыщение канала наступает при меньшем напряжении питания, чем это было при нулевом смещении. И, наконец, при подаче очень большого напряжения смещения, когда область обеднённого слоя почти полностью перекрывает канал, ток стока становится настолько малым, что его можно считать равным нулю. Напряжение смещения, при котором ток стока близок к нулю, называется напряжением отсечки и обозначается Uотс.
Принято считать, что на участке вольт – амперной характеристики, ограниченной пунктирной кривой и осью Ic (рис. 3), полевой транзистор ведёт себя как ламповый триод или омическое сопротивление. На участке, где характеристики идут практически параллельно оси напряжения питания, полевой транзистор аналогичен ламповому пентоду. Сокращённо эти области называют триодными и пентодными.
На рис. 3 видно, что в пентодной области величина тока стока определяется напряжением смещения и не зависит от напряжения стока, вследствие чего представляется возможным выразить зависимость тока стока от напряжения затвора в виде одной кривой, например, подобной той, что дана на рис. 4. Обе характеристики полевых транзисторов могут быть сняты с помощью лабораторной установки.
Основными параметрами вольт – амперной характеристик полевых транзисторов являются ток насыщения Iо, напряжение отсечки Uотс и крутизна S. По напряжению отсечки полевые транзисторы можно условно разбить на три группы: с малым (до 4 в), средним (4 – 8 в) и высоким (более 8 в) напряжением отсечки Uотс.
Крутизной вольт – амперной характеристики называется отношение изменения тока стока к вызвавшему его изменению напряжения затвора, измеряемое в миллиамперах на вольт (ма/в), то есть
На рисунках 3 и 4 видно, что крутизна зависит от напряжения затвора и максимальна при нулевом смещении. Это максимальное значение обычно обозначается как Sо. Величина крутизны при иных значениях напряжения затвора может быть определена для современных типов транзисторов по приводимой ниже формуле
Из приведенных выше графиков и формул следует, что при напряжении затвора, равном или большем напряжения отсечки, крутизна равна нулю, то есть полевой транзистор перестаёт управлять рабочим током.
Необходимо иметь в виду, что величина Sо и Iо связаны между собой простым соотношением
ма
Это значит, что максимальное значение крутизны численно в 2 – 2,5 раза меньше тока насыщения. Следовательно, для получения более высокой крутизны требуется увеличение тока насыщения.
Эквивалентная схема замещения
полевого транзистора
При проведении расчётов усилительных схем на полевых транзисторах для широкого диапазона частот можно пользоваться эквивалентной схемой замещения, приведённой на рис. 5. Здесь rз – входное активное сопротивление затвора; rи – активное сопротивление истока; кс – активное сопротивление стока; Сз – ёмкость затвора; Сзс – ёмкость между затвором и стоком; Св – ёмкость стока. У современных кремниевых диффузионных полевых транзисторов rз = 100 – 200 МОм; rо = 100 – 500 КОм; rи = 200 – 1000 Ом; Сз = Со = 5 – 10 пФ; Сз. с = 1 – 3 пФ. При этом следует учесть, что так же, как у биполярных транзисторов, величины выходной и проходной ёмкостей (Со и Сз.с) уменьшаются при повышении напряжения питания (стока).
З
атвор
Сзс Iс
= S*Uвх
Сток Рис. 5.
Эквивалентная
схема замещения
(З) полевого транзистора
при малом сигнале.
Сз rз rc Сс
rU
(И)
Исток
Полевые транзисторы могут быть включены по четырём схемам: с общим истоком (ИС), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ) и с разделённой нагрузкой. Условные графические изображения всех схем включения приведены на рисунке 6.
Р
ис.
6. Схемы включения полевых транзисторов
а б
в
г
В
схеме с общим истоком (рис.
6 а) входной сигнал подаётся на затвор
относительно истока, а выходной –
снимается между стоком и истоком.
Максимальное усиление напряжения
достигается при сопротивлении нагрузки,
много большем сопротивления стока, и
называется оно собственным коэффициентом
усиления полевого транзистора
(мю).
Оно численно равно произведению крутизны
на сопротивление стока
(Ком)
Например,
если принять средние значения S
= 0,5 ма/в и rc
= 500 Ком , то получим
что само по себе немало.
В том случае, когда сопротивление нагрузки rн и стока rc соизмеримы, коэффициент усиления напряжения равен
Если же сопротивление нагрузки много меньше сопротивления стока, то из предыдущей формулы вытекает более простое выражение
(Ком),
Из которого следует, что усиление по напряжению прямо пропорционально произведению крутизны на сопротивление нагрузки. Физически это можно иллюстрировать таким примером. Пусть величина входного напряжения на затворе уменьшилась на 1 в. Тогда согласно ранее приведённому соотношению ток стока должен увеличиться на S ма. Это изменение тока стока вызовет изменение падения напряжения на нагрузке rн (Ком) на величину Uвых = Srн в. Поскольку первоначально было принято, что Uвх = 1 в, то коэффициент усиления по напряжению оказывается равным
(Ком)
что соответствует последней выведенной формуле.
Как
видно из разобранных примеров, с точки
зрения повышения усиления по напряжению
желательно иметь высокие значения
крутизны и сопротивления нагрузки.
Правда, здесь есть свои разумные пределы,
так как повышение крутизны связано с
ростом потребляемого тока, а увеличение
сопротивления нагрузки, в особенности
активной, требует значительного повышения
напряжения питания. Действительно, при
Sо
= 0,5 ма и Rн
= 10 Ком имеем
ма
и
в.
То есть только на активном сопротивлении
нагрузки падает около 12в. Напряжение
питания должно быть на 5 – 8в выше,
следовательно, около 17 – 20в.
Использование полевых транзисторов не даёт существенного выиграша в усилении по напряжению сравнительно с биполярными транзисторами. Но зато они дают значительное усиление мощности, вследствие высокого входного сопротивления, которое на низких частотах может составлять десятки мегом. Биполярные транзисторы имеют входное сопротивление в сотни и тысячи раз меньше.
В схеме с общим затвором (рис. 6 б) входным электродом является исток, выходным – сток. Отличается эта схема низким входным сопротивлением, равным
.
Поскольку
обычно выполняется условие
<<
rс,
то с учётом
>>1
получается приближённое выражение
Это значит, что входное сопротивление каскада по схеме с общим затвором равно выходному сопротивлению истокового повторителя и определяется только крутизной: чем выше крутизна, тем меньше входное сопротивление.
Данная схема, обладая весьма большим входным сопротивлением, во многом похожа на схему с общей базой, и, также как схема с общей базой, она имеет самую малую внутреннюю обратную связь. Коэффициент усиления по напряжению для схемы с общим затвором находится по формуле
С учётом
сделанных ранее допущений
>>1
и rн<<rс
получается
(Ком),
то есть усиление по напряжению примерно такое же, как в схеме с общим истоком, но низкое входное сопротивление ограничивает применение схемы с общим затвором по сравнению со схемой с общим истоком.
В схеме с общим стоком (рис 6 в) входным электродом является затвор, а выходным – исток. По своим усилительным свойствам эта схема аналогична эмиттерному повторителю, только со значительно большим (в тысячи раз) входным сопротивлением. Выходное сопротивление схемы с общим истоком небольшое и определяется формулой
Подобно эмиттерному повторителю схема с общим стоком не даёт усиления по напряжению, поэтому часто называется истоковым повторителем. В общим случае коэффициент передачи истокового повторителя может быть найден по формуле
Если
учесть, что обычно
> 1, получается
Кроме того, допуская Srн > 1, получается, что
то есть коэффициент передачи по напряжению истокового повторителя весьма близок к единице.
В схеме с разделённой нагрузкой (рис. 6 г) входное сопротивление и крутизна характеристики определяются как для схемы с общим истоком. Например, выражение реальной крутизны схемы имеет вид
откуда следует, что при выполнении условия rн.и >> rи крутизна характеристики практически не зависит от параметров транзистора, а определяется сопротивлением нагрузки в цепи истока
ма/в.
Коэффициент усиления по напряжению определяется по формуле
которая при выполнении неравенства rн.и > rи принимает вид
Следовательно, усиление напряжения каскада с разделённой нагрузкой на полевом транзисторе определяется в основном отношением сопротивлений нагрузки в цепях стока и истока. В частности, при равенстве этих сопротивлений коэффициенты усиления цепей истока и стока равны единице (примерно).
Я приведу несколько примеров пользования упрощёнными формулами для случаев, когда известно, что полевой транзистор имеет параметры: S = 1ма/в; rн = 300 Ом; rс = 500 Ком; rз = 200 Мом. Первые три параметра можно определить по результатам снятия выходной вольтамперной характеристики конкретного образца транзистора. Последний параметр измерить в оценивается приближённо. В большенстве случаев исправные полевые транзисторы имеют сопротивление затвора ещё больше.
Пример 1. Транзистор используется в каскаде усиления по схеме с общим истоком. Сопротивление нагрузки rн = 10 ком. Определить коэффициент усиления каскада по напряжению.
Для этого случая выполняется условие rc>rн, а поэтому можно считать, что коэффициент усиления по напряжению равен
При этом входное сопротивление каскада будет определяться сопротивлением элементов смещения в цепи затвора, так как собственное сопротивление затвора очень велико. Обычно в реальных условиях входное сопротивление исчисляется сотнями килом или несколькими мегомами.
Пример 2. Транзистор используется в схеме с общим затвором. Сопротивление нагрузки rн = 10 Ком. Определить коэффициент усиления каскада по напряжению и его входное сопротивление.
Коэффициент усиления, так же как и в первом примере, определяется по формуле Кu = Srн и равен Кu = 10. Входное сопротивление, с учётом того, что транзистор включён по схеме с общим затвором, равно
rвх
Ком.
Пример 3. Транзистор используется в каскаде по схеме с общим стоком. Сопротивление нагрузки rн = 10 Ком. Найти коэффициент усиления по напряжению и выходное сопротивление.
Усиление по напряжению в общем случае определяется по формуле
После подстановки в неё исходных данных получается
Ком.
Теперь с учётом того, что Srн = 10, надо воспользоваться приближённом выражением Кu = 1 и сравнить оба результата.
Выходное сопротивление каскада находится по формуле
rвых
=
после подстановки исходных данных получается
rвых
=
Ком.
Но
поскольку выполняется условие Srн
> 1, то можно воспользоваться приближённой
формулой rвых
в результате чего получается rвых
= 1 Ком. Сравнение между собой обоих
результатов показывает их хорошее
совпадение.
Пример 4. транзистор работает в каскаде по схеме с разделённой нагрузкой, причём сопротивление нагрузки в цепи стока rн.с = 10 Ком, в цепи истока rн.и = 5 Ком. Найти усиление по напряжению цепей стока и истока.
Поскольку
выполняется условие rн.и
> rн,
то усиление цепи истока примерно равно
единице: Кu1.
По этой же причине усиление в цепи стока
равно отношению сопротивлений в цепях
стока и истока, то есть Кu.c
= 10 : 5 = 2.
Как видно из приведённых примеров, приближённые формулы вполне применимы в любительских расчётах каскадов как на биполярных, так и на полевых транзисторах, с учётом тех условий, при которых они справедливы, а также на низких частотах, где ещё не сказывается влияние частоты на параметры каскада. Относительно большие значения входной, выходной и проходной ёмкостей эквивалентной схемы замещения полевого транзистора по сравнению с очень большими активными сопротивлениями тех же цепей приводят к тому, что частотные свойства полевых транзисторов оказываются несколько хуже частотных свойств биполярных транзисторов.
Заключение
Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в устройствах, осуществляющих генерацию и усиление электрических колебаний. Основой любого транзистора является кристаллическая пластинка полупроводника, в котором используются те или иные свойства полупроводникового материала и электронно – дырочных переходов, в результате чего представляется возможным с помощью слабых управляющих токов или напряжений получать более мощные электрические колебания требуемого вида.
Подобно тому, как существует большое множество разновидностей диодов, известно большое число видов и разновидностей транзисторов.
Транзисторы различаются по числу основных видов носителей заряда, используемых при работе прибора. Транзисторы, в которых используются оба вида носителей, дырки и электроны, называются биполярными. В зависимости от геометрической структуры размещения зон с различной проводимостью они могут быть прямой (p – n – p) или обратной проводимости (n – p – n). Транзисторы, у которых используется только один основной носитель заряда, например, только дырки или только электроны, называются полярными
Самыми известными и доступными являются биполярные транзисторы прямой (p – n – p) и обратной (n – p – n) проводимости. Менее известны и доступны полевые транзисторы с каналом p и n типа.
Список литературы
Агаханян Т. М. Основы транзисторной электроники. – М.: Энергия, 1974.
Бергельсон И. Г., Минц В. И. Транзисторы биполярные. – М.: Сов. Радио, 1976.
Васильев В. А. Радиолюбителю о транзисторах. – М.: Досааф,1973.
Диоды и транзисторы/ Под редакцией Чернышёва. – М.: Энергия, 1976.
Петухов В. М., Таптыгин В. И., Хрулев А. К. Транзисторы полевые. – М.: Сов. Радио, 1978.
Пляц О. М. Справочник по электровакуумным, полупроводниковым приборам и интегральным схемам. – Минск: Вышэйшая школа, 1979.
Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ Под редакцией Н. И. Горюнова. – М.: Энергия, 1979.
Терещук Р. М., Терещук И. М., Седов С. А. Полупроводниковые приёмно усилительные устройство. Справочник радиолюбителю. Издание второе, стереотипное. – Киев: Наукова думка, 1982.
Транзисторы/ Под редакцией А. А. Чернышёва. – М.: Энергия, 1979
Филиал Санкт-Петербургского государственного инженерно-экономического университета в городе Пскове
Курсовая работа по ТОПТу на тему:
Транзисторы
Выполнил:
студент группы 3350
1 курса
факультета экономики и
управления на предприятии
городского хозяйства
Иванов Сергей Васильевич
Научный руководитель:
Марков Виктор Николаевич
Псков
2004
Содержание
Введение…………………………………………………………….2
Электронно – дырочный p – n переход …………………...……3-4
Биполярные транзисторы…………………………………….…..5-6
Усилительные свойства биполярных транзисторов………....…7-11
Частотные свойства транзисторов……………………….. ….…12-15
Шумовые характеристики транзисторов …………………..…….16
Полевые транзисторы. Общие сведения………….………………17
Принцип действия и устройство полевого транзистора с p – n
переходом…………………………………………………………18-21
Эквивалентная схема замещения полевого транзистора………22-27
Заключение…………………………………………………………28
Список литературы………………………………………………...29