Электроника учебное пособие

§ 3.1. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И СПОСОБЫ ВКЛЮЧЕНИЯ

Режим работы биполярного транзистора зависит от напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам и обеспечивающих их включение либо в прямом, либо в обратном направлении. Различают четыре режима работы биполярного транзистора.

1.При нормальном включении транзистора на эмиттерном переходе действует прямое напряжение, а на коллекторном – обратное. При этом электроны инжектируются из эмиттера в базу, проходят ее почти без рекомбинации (поскольку ширина базы мала) и беспрепятственно попадают

вколлектор, находящийся под положительным потенциалом. Таким образом, при нормальном включении коллектор собирает поступившие в базу неосновные носители. В нормальном включении токи коллектора и эмиттера почти одинаковы с точностью до небольшого тока базы. Последний компенсирует убыль основных носителей (дырок) в результате рекомбинации (которая имеет место даже при очень малой толщине базы), а также в результате инжекции дырок из базы в эмиттер.

2.Несмотря на асимметрию транзистора, эмиттер и коллектор в принципе можно поменять ролями, задать на коллекторный переход прямое напряжение, а на эмиттерный – обратное. Такой режим работы называют инверсным включением. Передача тока при инверсном включении значительно хуже, чем при нормальном. Причины: 1) в связи со слабым легированием коллектора, мала электронная составляющая коллекторного тока; 2) площадь реального коллектора значительно больше площади эмиттера, поэтому на эмиттер попадает лишь небольшая часть электронов, инжектированных коллектором.

3.Режим отсечки, когда оба перехода являются обратно включен-

ными.

4.Особое место в работе транзистора занимает режим насыщения. Он характерен тем, что на обоих переходах – эмиттерном и коллекторном – действуют прямые напряжения. При этом и эмиттер, и коллектор инжектируют носители в базу навстречу друг другу, и одновременно каждый из них собирает носители, дошедшие до него.

21

Способы включения. В зависимости от того, какой электрод имеет общую точку соединения с входной и выходной цепями, различают три способа включения транзистора: с общей базой; с общим эмиттером; с общим коллектором (рис. 3.2). Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода.

IЭ	I			IК		IЭ
		К		IБ		IБ
UЭБ	UКБ		UБК	UКЭ	UБК	UЭК
	IБ			IЭ		IК
	а)			б)		в)

Рис. 3.2. Схемы включения биполярного транзистора:

а – с общей базой; б – с общим эмиттером; в – с общим коллектором

§3.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Статические характеристики отражают зависимость между постоянными токами и напряжениями на входе и выходе биполярного транзистора. Полное представление о свойствах БТ можно получить, воспользовавшись двумя семействами характеристик: входных и выходных. Для схемы с об- щей базой (ОБ) входные ( Iэ = f (Uбэ )Uкб = const ) и выходные

( Iк = f (Uкб )Iэ = const ) характеристики показаны на рис. 3.3. На рис. 3.3, а видно, что с увеличением отрицательного напряжения Uкб наблюдается слабовыраженное смещение входных характеристик влево. Это объясняется тем, что электрическое поле, создаваемое напряжением Uкб , почти полностью сосредоточено в коллекторном переходе и оказывает незначительное влияние на прохождение зарядов через эмиттерный переход. Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой 3.3, б представляют собой пологие, почти прямые линии. Это характеризует высокое выходное сопротивление выходной цепи по переменному току. При таком включении даже при Uкб = 0 происходит явление экстракции, и ток коллектора может иметь большое значение, зависящее от тока эмиттера.

22

При Iэ = 0 характеристика начинается в начале координат и имеет вид обратной ветви p-n-перехода. При Iэ ¹ 0 выходной ток близок к входному. Однако, если меняется полярность напряжения Uкб , то он резко уменьшается и достигает нуля при значениях Uкб порядка десятых долей вольта. В последнем случае коллекторный переход работает в прямом направлении. Ток через этот переход резко возрастает и идет в направлении, обратном нормальному рабочему току, что может вывести транзистор из строя. Поэтому на данном участке характеристики показаны штриховыми линиями, они не являются рабочими и обычно на графиках не приводятся. Схема с ОБ не обеспечивает усиления тока и обладает малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода), что делает ее неоптимальной для большинства применений.

IЭ	,					IК	,
мА		U >0	U	=0	UКБ<0	мА
		КБ	КБ
							IЭ>0
						UКБ>0
							IЭ=0
			UЭБ , В				UКБ , В
		а)					б)
	Рис. 3.3. Статические характеристики транзистора,
	включенного по схеме с ОБ: а – входные; б – выходные

Поэтому главную роль в транзисторной технике играет другое включение – с общим эмиттером. На рис. 3.4 показаны соответственно семейства входных и выходных характеристик для схемы с общим эмиттером (ОЭ). Статическая входная характеристика показывает зависимость ( Iб = f (Uбэ )Uкэ = const). С ростом отрицательного напряжения Uкэ на-

блюдается сдвиг входных характеристик вправо. При увеличении Uкэ растет обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу и почти

23

все подвижные носители заряда быстро втягиваются в коллектор, не успев рекомбинировать в базе. Поэтому ток базы уменьшается при увеличении напряжения Uкэ , что видно из рис. 3.4, а. Выходная характеристика пока-

зывает зависимость ( Iк = f (Uкэ )Iб = const). Главная особенность выход-

ных характеристик заключается в том, что они полностью расположены в первом квадранте.

IБ	,		IК ,
мА			мА
	UКЭ=0	UКЭ>0
			IБ =const
		UБЭ , В	UКЭ , В
		а)	б)
	Рис. 3.4. Статические характеристики транзистора,
	включенного по схеме с ОЭ: а – входные; б – выходные

В обычных транзисторных схемах выходной (управляемой) величиной будет либо коллекторный, либо эмиттерный ток, а входной (управ- ляющей) – либо ток базы, либо ток эмиттера. Связь между входными и выходными токами характеризуется коэффициентами усиления Iэ = Iк + Iб .

Связь между коллекторным и эмиттерным токами можно записать в виде Iк = αIэ , где α – коэффициент усиления эмиттерного тока – один из основных параметров транзистора, который особенно удобен тогда, когда ток эмиттера можно считать заданной величиной, например в схеме с ОБ. Коэффициент α близок к единице (0,99 – 0,995).

24

Токи коллектора и базы определяются следующим соотношением:

Iк = βIб ,

а токи эмиттера и базы

Iэ = (1+ β)Iб ,

где β – коэффициент усиления базового тока

β = α1 − α .

Этот параметр, широко используемый в транзисторной электронике, особенно удобен тогда, когда задан ток базы, прежде всего в схеме с ОЭ. Типичные значения коэффициента β лежат в пределах 100 – 150. Коэффициент β тем больше, чем ближе коэффициент α к единице.

Дифференциальные параметры БТ. Достаточно часто в электрон-

ных устройствах транзистор работает с сигналами, которые в области рабочей точки вызывают изменения токов и напряжений, линейно связанные между собой. Это значит, что ВАХ транзистора в области рабочей точки может считаться линейной и характеризоваться дифференциальными параметрами. Сигналы, при которых токи и напряжения связаны линейно, обычно называют малыми. При использовании дифференциальных параметров биполярный транзистор может быть представлен линейным активным четырехполюсником, на входе которого действуют переменные напряжение u1 и ток i1, на выходе – напряжение u2 и ток i2 (рис. 3.5). В зависимости от схемы включения транзистора величинам u1, i1, u2 и i2 будут соответствовать те или другие реальные токи и напряжения. Для транзисто-

ров чаще всего используют h-

i1

i2

параметры, так как они наиболее

удобны для измерений. Система

u1

u2

уравнений, показывающая связь

напряжений и токов с h-

параметрами, имеет вид:

Рис. 3.5. Схема транзистора,

u1

h11

h12

i1

представленного в виде

=

.

четырехполюсника

i2

h21

h22

u2

25

Каждый из h-параметров, приведенных в уравнениях, имеет определенный физический смысл:

h11 = ∂uвх – входное сопротивление при коротком замыкании на

∂iвх Uвых =const

					выходе (uвых = 0);
h12	=	∂uвх			– коэффициент обратной связи по напряжению при
		∂uвых
					Iвх =const
					холостом ходе на входе (iвх = 0);
h21	=	∂iвых			– коэффициент усиления по току при uвых = 0;
		∂iвх
				Uвых =const
h22	=	∂iвых			– выходная проводимость транзистора при разомкну-
		∂uвых
					Iвх =const

той входной цепи.

Режимы короткого замыкания и холостого хода могут быть реализованы соответствующим включением конденсаторов и катушек индуктивности. Единицы измерения h-параметров различны: h11 – в омах, h22 – в сименсах, h12 и h21 – безразмерны. В литературе параметр h21 часто обозначают как α для схемы включения транзистора с ОБ и β для схемы включения с ОЭ. Это допустимо, если пренебречь инерционностью транзистора.

При переходе от одной схемы включения транзистора к другой численные значения параметров изменяются. Чтобы отличить дифференциальные параметры для разных схем включения, их снабжают буквенным индексом: б – ОБ, э – ОЭ и к – ОК. Пересчет численных значений параметров транзистора из одной схемы включения в другую может быть осуществлен по формулам, приведенным в справочной литературе.

Контрольные вопросы

1.Как устроен биполярный транзистор?

2.Назовите способы включения и режимы работы биполярного транзистора.

3.Каков принцип действия биполярного транзистора n-p-n-типа.

26

4.Нарисуйте условные обозначения биполярного транзистора n-p-n-

иp-n-p-типа.

5.Какие зависимости отражают входная и выходная ВАХ биполярного транзистора?

6.Нарисуйте и объясните ход ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

7.Какие математические зависимости, отражающие связь между входными и выходными токами биполярного транзистора?

8.Что такое дифференциальные параметры БТ? Укажите способы их вычисления.

9.Какие параметры биполярного транзистора приводятся в справочной литературе?

ГЛАВА 4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (ПТ) – это полупроводниковый прибор, в котором управление током осуществляется электрическим полем, вызывающим изменение сопротивления полупроводникового слоя, проводящего ток. ПТ часто называют униполярными, так как ток в них переносится носителями одного знака (основными носителями).

Различают два типа ПТ: с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором (МДП – транзисторы).

§4.1. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

СУПРАВЛЯЮЩИМ p-n-ПЕРЕХОДОМ

При изготовлении полевого транзистора с управляющим p-n-переходом на каждую из боковых граней пластин полупроводника n- или p-типа наносится слой материала с противоположным типом проводимости. Эти слои образуют в месте контакта с пластиной односторонние p-n-переходы. Оба слоя материала, нанесенные на боковые грани, чаще всего электрически соединены и образуют электрод, имеющий внешний

27

вывод, с помощью которого к p-n-переходу подводится напряжение (рис. 4.1). Этот электрод называется затвором (З). Торцы пластины снабжены электродами, с помощью которых прибор включается в электрическую цепь. К электродам подключается источник постоянного напряжения Uси. Электрод, от которого под действием напряжения Uси движутся носители зарядов, называется истоком (И); электрод, собирающий носители зарядов, называется стоком (С). Объем, заключенный между p-n-пере- ходами, называется каналом. Условные обозначения транзисторов с каналами n- и p-типа приведены на рис. 4.2.

Положим, что исходная пластина изготовлена из полупроводника p- типа. В этом случае сток подключается к отрицательному полюсу источника ЭДС, а исток – к положительному (см. рис. 4.1).

Если к затвору полевого транзистора приложить положительное по отношению к истоку и являющееся обратным для p-n-перехода напряжение Uзи , то толщина обедненного слоя p-n-перехода увеличится, а сечение канала уменьшится. Следовательно, меняя напряжение Uзи , можно изменять электрическое сопротивление канала. В результате будет меняться ток Ic ,

	UСИ
С	n +	И
	З
	n +	p
	UЗИ

Рис. 4.1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

	С		С
З	И	З	И
канал n-типа		канал p-типа

Рис. 4.2. Условные обозначения ПТ

протекающий в цепи исток-сток под действием приложенного к стоку напряжения Ucи . При достаточно большом положительном смещении на затворе обедненный слой переходов займет весь канал. Напряжение на затворе, при котором поперечное сечение канала становится равным нулю, называет-

ся напряжением отсечки Uзи.отс . При-

ложение напряжения Ucи меняет конфигурацию канала. Потенциал канала у истока равен нулю, а вблизи стока – Ucи . Напряжение на p-n-переходе вблизи истока будет равно Uзи , а вбли-

зи стока Uзи + |Ucи |. В результате область обедненного слоя у стокового конца расширяется.

28

Статические характеристики полевого транзистора. Если ПТ включен по схеме с общим истоком (ОИ), то связь токов и напряжений может быть охарактеризована следующими ВАХ:

Ic = f (Uзи )			Uси = const	– стокозатворная характеристика;
Ic = f (Ucи )			Uзи = const	– выходная характеристика.

Типичное семейство выходных ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n-переходом показано на рис. 4.3.

IС	I	II	III	IС
	UЗИ1>UЗИ2>UЗИ3>UЗИ4		UЗИ=0
I			UЗИ4
С.нас			UЗИ3
			UЗИ2
			UЗИ1
UCИ нас=UЗИ отс			UCИ

UCИ=const

UЗИ

а)

б)

Рис. 4.3. Статические характеристики ПТ: а – выходная; б – стокозатворная

Рассмотрим зависимость Ic = f (Ucи ) при Uзи = 0. При малых отрицательных напряжениях Uси ток Ic увеличивается с ростом напряжения на стоке почти линейно. Область I семейства характеристик называется крутой. В этой области транзистор может быть использован как омическое управляемое сопротивление. Далее линейная зависимость между Ic и Uси нарушается, так как уменьшается сечение канала и увеличивается его сопротивление. Начиная с некоторого напряжения Uси , рост тока Ic практически прекращается и его величина почти не зависит от напряжения, так как увеличение напряжения на стоке, с одной стороны, вызывает увеличение тока стока, с другой – сужение канала, которое, в свою очередь, уменьшает ток. Напряжение на стоке, при котором возникает этот режим,

29

называют напряжением насыщения Uси нас. Область II характеристик, в которой ток Ic мало зависит от напряжения Uси , называется областью насыщения. Увеличение напряжения на стоке выше определенной величины приводит к электрическому пробою p-n-перехода у стокового конца (область III), так как в этой части прибора к p-n-переходу приложено наибольшее обратное напряжение.

При подаче на затвор обратного напряжения область насыщения будет соответствовать меньшим по модулю значениям напряжения на стоке. Меньшим становится и ток в области насыщения, пробой также наступает при меньших значениях напряжения Uси .

При напряжении Uзи = 0 напряжение насыщения равно напряжению отсечки. Можно показать, что при положительных напряжениях на затворе напряжение насыщения определяется по формуле:

Uси нас = Uзи −Uзи отс .

Всистеме координат Ic , Uси кривая, соединяющая точки, соответствующие значениям Uси нас при разных значениях Uзи , является параболой,

выходящей из начала координат (пунктирная линия на рис 4.3, а). Если управляющий p-n-переход сместить в прямом направлении, ток стока увеличится. При этом резко возрастает входная проводимость прибора. Такой режим на практике не используется.

Стокозатворная характеристика Ic = f (Uзи ) Uси = const (рис 4.3, б) может быть легко получена из семейства выходных характеристик, если при фиксированном напряжении Uси отмечать величину напряжения Uзи и соответствующие ему значения Ic . Изменение напряжения Uси в пределах области насыщения мало влияет на поведение стокозатворной характеристики.

Основным преимуществом полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом перед биполярными транзисторами являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между истоком и стоком открытого транзистора.

30