- •Электроника и схемотехника
- •Аналоговых электронных
- •Устройств
- •Учебное пособие
- •1. Полупроводниковые приборы
- •1.1. Полупроводниковые диоды
- •1.1.1. Устройство и классификация полупроводниковых диодов
- •1.1.2. Физические процессы в p-n-переходе
- •1.1.3. Работа диода при подключении внешнего обратного напряжения
- •1.1.3.1. Тепловой ток диода
- •1.1.3.2. Токи генерации и утечки в реальных диодах
- •1.1.4. Работа диода при подключении внешнего прямого напряжения
- •1.1.5. Основные параметры диодов
- •1.1.5.1. Сопротивления диода
- •1.1.5.2. Емкости диода
- •1.1.6. Типы полупроводниковых диодов
- •1.1.6.1. Выпрямительные диоды
- •1.1.6.2. Стабилитроны
- •1.1.6.3. Варикапы
- •1.1.6.3.1. Вольт-фарадная характеристика варикапа
- •1.1.6.3.2. Добротность варикапа
- •1.1.6.4. Туннельный диод
- •1.1.6.4.1. Принцип квантово-механического туннелирования
- •1.1.6.4.2. Вольт-амперная характеристика туннельного диода
- •1.1.6.5. Импульсные диоды
- •1.1.6.6. Диоды с накоплением заряда
- •1.1.6.7. Диоды с барьером Шоттки
- •1.1.6.8. Лавинно пролетные диоды
- •1.1.6.9. Фотодиод
- •Рассмотрим общие характеристики фотодиодов.
- •1.2. Биполярные транзисторы
- •1.2.1. Устройство и режимы работы транзистора
- •1.2.2. Физические процессы, протекающие в транзисторе, работающем в активном режиме
- •1.2.3. Схемы включения, основные характеристики и параметры транзисторов
- •1.2.3.1. Схема включения транзистора с общей базой (об)
- •1.2.3.2. Основные параметры транзистора с об
- •1.2.3.3. Схема включения транзистора с общим эмиттером (оэ)
- •1.2.3.4. Выходные и входные характеристики транзистора , включенного по схеме с оэ
- •1.2.3.5. Параметры транзистора, включенного по схеме с оэ
- •1.2.3.6. Схема включения транзистора с общим коллектором (ок)
- •1.2.3.7. Параметры транзистора с ок
- •1.2.4. Эквивалентные схемы транзисторов
- •1.2.4.1. Эквивалентная схема транзистора в виде модели Эберса-Молла
- •1.2.4.2. Дифференциальные параметры и малосигнальные эквивалентные схемы транзистора
- •1.2.4.3. Эквивалентная схема транзистора в h-параметрах
- •1.2.4.5. Эквивалентная схема транзистора в y-параметрах
- •1.2.5. Инерционные свойства биполярного транзистора. Зависимость параметров биполярного транзистора от частоты.
- •1.2.5.1. Процессы в схеме с общей базой
- •1.2.5.2. Процессы в схеме с оэ
- •1.3. Полевые транзисторы
- •1.3.1. Транзисторы с управляющим p-n-переходом.
- •1.3.1.1. Устройство и принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
- •1.3.2. Полевой транзистор, включенный по схеме с ои а) с n-каналом,
- •1.3.2. Дифференциальные параметры.
- •1.3.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором.
- •1.4. Тиристоры
- •1.5. Интегральные схемы
- •1.6. Полупроводниковые датчики и индикаторные приборы
- •1.6.1. Полупроводниковые датчики температуры
- •1.6.2. Магнитополупроводниковые приборы
- •1.6.3. Приборы с зарядовой связью
- •1.6.4. Фотоэлектрические приборы. Понятие об оптоэлектронных приборах.
1.2.2. Физические процессы, протекающие в транзисторе, работающем в активном режиме
Рассмотрим работу бездрейфового транзистора, работающего в активном режиме.
Через эмиттерный переход происходит инжекция неосновных носителей в базу, поэтому на границе базы с эмиттерным переходом их концентрация выше равновесной. За счёт градиента концентрации эти носители переносятся к коллекторному переходу, работающему в режиме экстракции. Большинство носителей, инжектированных в базу, не успевают в ней рекомбинировать, и если её толщина , достигнув коллектора, втягиваются в него, создавая ток коллектора. Таким образом, ток коллектора создаётся за счёт тока эмиттера:
, (1.2.1)
- коэффициент передачи тока эмиттера (h21б в схеме с общей базой). Iкб0 - обратный ток коллекторного перехода при отключённом эмиттере, т.е. при Iэ = 0: <1, т.е. ток Iк - это часть тока Iэ. Величина учитывает потери в эмиттерном переходе, т.к. не весь ток эмиттера образуется за счёт инжекции основных носителей в базу, часть его образуется за счёт инжекции других носителей в эмиттер. Коэффициент инжекции
. (1.2.2)
А также происходят потери за счёт рекомбинации неосновных носителей на пути к коллектору. Коэффициент переноса:
. (1.2.3)
Чем тоньше база W, тем сильнее коэффициент переноса стремится к единице 1. Таким образом коэффициент передачи тока эмиттера можно записать как:
= , (1.2.4)
где коэффициент, стремящийся к единице.
Для того , чтобы 1, эмиттер легируют значительно сильнее, чем базу, поэтому область эмиттера - низкоомная, область базы - высокоомная.
Ток Iкб0 - неуправляемая часть коллекторного тока, невелик, зависит от температуры, т.к. определяется концентрацией неосновных носителей в области коллектора и базы.
Ток базы складывается из рекомбинированных в базе неосновных носителей, тока инжекции от базы к эмиттеру и тока Iкб0 :
(1.2.5)
Баланс токов (закон Кирхгофа) в транзисторе:
(1.2.6)
Ток базы мал: Iб << Iэ, т.к. 1 (от 0,9 до 0,999), поэтому ток коллектора приблизительно равен току эмиттера: Iк Iэ.
1.2.3. Схемы включения, основные характеристики и параметры транзисторов
Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. В зависимости от того, какой из трех выводов транзистора является общим для входа и выхода четырехполюсника, различают схему включения транзистора с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Полярность подключаемого внешнего источника зависит от типа транзистора.
1.2.3.1. Схема включения транзистора с общей базой (об)
На рис. 1.2.2. представлена электрическая схема включения транзистора с общей базой. В данном случае рассматривается n-p-n-транзистор. В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным — ток эмиттера.
Рис. 1.2.2 Схема включения транзистора с ОБ
Транзистор как четырехполюсник характеризуется входными и выходными статическими ВАХ. Для транзистора, включенного по схеме с ОБ выходные характеристики - это семейство кривых при .
В упрощенной формуле Iк = Iэ + Iкб0, по которой Iк вообще не зависит от Uкб, нужно добавить ещё одно слагаемое, учитывающее небольшой рост тока коллектора при увеличении Uкб за счёт расширения коллекторного перехода и соответствующего сужения базы:
, (1.2.7)
где rк.диф - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, или
, (1.2.8)
где h22б - выходная проводимость транзистора в схеме ОБ. На рис. 1.2.3 представлено семейство выходных характеристик.
Рис. 1.2.3. Выходные характеристики транзистора, включенного
по схеме с ОБ
Входные характеристики представляют семейство кривых , при , которые имеют экспоненциальный вид, т.к. на эмиттерный переход подается прямое напряжение. Его значение не превышает 0,4...0,5В для германия Ge, и 0,6-0,8В для кремния Si. Ток эмиттера в данном случае описывается следующим выражением:
, (1.2.9)
где - коэффициент передачи тока эмиттера, I - коэффициент передачи тока коллектора в инверсном режиме, Iэб - тепловой ток эмиттерного перехода при Iк=0.
Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения) являются коэффициенты усиления:
по току ;
по напряжению ;
по мощности ,
Рис. 1.2.4. Входные характеристики транзистора, включенного
по схеме с ОБ