Физика часть1

n	p	n	p	n	p

э	Э Б	К	к	э	Э Б К к

Б	Б

Iэ	I	Iэ	I
	к		к
	Iб		Iб

Рисунок 1. Схематичное изображение полупроводникового триода

Каждый переход ведет себя в отдельности как обычный полупроводниковый диод, т.е. обладает односторонней проводимостью. Один из переходов – эмиттерный – предназначен для включения в прямом, пропускающем направлении, а другой – коллекторный – в обратном, запирающем направлении. Средняя область транзистора, общая для обоих n-p переходов, называется базой, крайние области – эмиттер (источник носителей зарядов) и коллектор (сток носителей заряда). Эмиттер и коллектор всегда имеют проводимость, противоположную проводимости средней области – базы. В зависимости от характера проводимости базы различают транзисторы типа p-n-p и n-p-n типа.

Рассмотрим работу транзистора типа p-n-p, когда в цепи эмиттера и коллектора включены только постоянные напряжения EК и EЭ (рис.2). Напряжение в цепи эмиттера задается небольшим, в пределах 1-2 В. Так как эмиттерный переход включается в пропускном направлении, то напряжение EЭ понизит потенциальный барьер на границе эмиттер-база и будут созданы условия

93

для перемещения (инъекция) дырок из эмиттера в базу, а электронов – из базы в эмиттер.

Эммитерный переход			Коллекторный переход
Эмиттер		База	Коллектор
	диффузия		Втяги-
Инъек-			вание
ция
		реком-
		бинация
p		n	p

											Iк
Iэ								Iб
+ -							+ -
	EЭ (1-2 В)							Е (10-30 В)
									к

Рисунок 2. Транзистор типа p-n-p

Сопротивление эмиттерного перехода становится незначительным. Напряжение в цепи коллектора EК задается в пределах 10-30 В и включается так, что переход база – коллектор находится в непроводящем состоянии. Основные носители зарядов уходят от коллекторного перехода и по обе стороны от него образуются области, лишенные основных носителей заряда, прямой ток отсутствует. Это означает, что сопротивление коллекторного перехода велико (сотни кОм).

Однако через этот переход протекает слабый обратный ток IКО, образуемый не основными носителями зарядов (неосновные носители в области p - электроны, а в области n - дырки).

При одновременном включении обеих батарей (EК и EЭ) вследствие понижения величины потенциального барьера эмит-

94

терного перехода и наличия градиента концентрации носителей заряда происходит перемещение дырок из эмиттера в базу и электронов в обратном направлении. Следовательно, ток эмиттерного перехода IЭ обусловлен встречным потоком основных носителей зарядов эмиттера и базы. Однако, количество электронов, инжектируемых из базы в эмиттер, ничтожно мало по сравнению с дырками, которые инжектируются в базу, так как концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в эмиттере. К тому же и объем базы весьма мал по сравнению с размерами эмиттера. Поэтому для объяснения физических процессов в транзисторе p-n-p электронной составляющей эмиттерного тока обычно пренебрегают.

Инжектированные эмиттером в базу дырки из-за наличия градиента концентрации носителей заряда (концентрация понижается в сторону коллектора) начинают перемещаться в направлении коллекторного перехода. В процессе диффузного движения дырок в базе некоторые из них рекомбинируют с электронами, образуя ток базы, остальная часть дырок достигает коллекторного перехода.

Здесь дырки втягиваются электрическим полем коллекторного перехода (в то же время это электрическое поле является препятствием для электронов со стороны базы) и проникают в коллектор, образуя ток IК. Величина тока коллектора IК оказывается очень близкой к величине тока эмиттера IЭ, так как область базы делается очень узкой (от нескольких мкм до десятков мкм) и при такой ширине базы число рекомбинированных дырок невелико и большая часть дырок достигает коллекторного перехода.

При увеличении толщины базы увеличивается число рекомбинаций, и ток базы возрастает, но всегда ток эмиттера равен сумме токов базы и коллектора:

IЭ = IК + IБ

И если толщина базы очень мала, то IБ << IК и можно считать ток коллектора приблизительно равным току эмиттера:

IЭ IК

95

Усиление электрических колебаний с помощью транзисторов

Транзистор можно использовать в качестве усилителя или генератора колебаний. Причем сравнительно малые по отношению к радиолампам размеры транзисторов позволяют не только уменьшить размеры приборов, но и создать приборы, а также датчики к ним настолько малых размеров, что они могут безопасно вводиться внутрь различных органов или даже вживляться

вткани организма.

Всхемах усилителей используется три способа включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором (рис. 3).

Из рисунка видно, что база транзистора обязательно соединяется с входом усилителя, а коллектор – с его выходом. Рассмотрим работу транзистора p-n-p типа в качестве усилителя при включении его по схеме с общей базой (рис. 3а). Усиливаемое

переменное напряжение Uвх включено между эмиттером и базой последовательно с постоянным напряжением EЭ. Входным током является ток эмиттера IЭ. При изменении Uвх соответственно будет меняться и IЭ по закону Uвх. Следовательно, по этому же закону будут менять свою величину ток базы IБ и ток коллектора IК. Изменяющийся IК, проходя по сопротивлению нагрузки Rн, создает на нем изменяющееся падение напряжения, переменная составляющая которого через разделительный конденсатор подает-

ся на выход в виде величины Uвых. Выходной коллекторный ток IК почти равен входному току эмиттера, и если Rн выбрать больше, чем сопротивление входной цепи, падение напряжения на на-

грузке Uвых будет больше входного напряжения Uвх при неизменной форме сигнала. Таким образом, усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано на изменении величи-

ны тока коллектора за счет изменения входного напряжения Uвх; это усилительное свойство характеризуется коэффициентом усиления по напряжению k

96

k Uвых I К RН , Uвх IЭ RЭ

где RЭ - сопротивление эмиттерного перехода (десятки Ом).

Так как I

I

К

, то k RН .

Э

RЭ

p-n-p

p-n-p

I

Iк

I

э

к

~ U

R

Uвых

Iб

R

U

вх

~

вых

н

U

вх

н

Iб

I

э

+ -

+ -

-

+

+ -

Еэ

Ек

Е

Е

к

э

а

б

p-n-p

Iк

Iб

Iэ

~ Uвх

Rн

Uвых

-

+

+

-

Еэ

Е

к

в

Рисунок 3. Схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором

Кроме этого, вводят еще коэффициент усиления по току , равный отношению приращения выходного – коллекторного токаIК к вызвавшему это приращение изменению входного – эмиттерного тока IЭ при постоянном напряжении на коллекторе UK, т.е.

97

I К при UK = const.

IЭ

Для рассмотренной схемы включения с общей базой коэффициент усиления по току всегда меньше единицы и обычно

= 0,90 0,99.

Отметим теперь некоторые особенности работы транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером (рис. 3 б). В этом случае входным током является ток базы IБ, а выходным – ток коллектора IК.

При изменении Uвх изменяется напряжение на базе транзистора. По этой причине изменяется потенциальный барьер эмиттерного перехода транзистора и происходит изменение интенсивности инжекции дырок из эмиттера в базу, т.е. изменение тока эмиттера IЭ .

В результате этого наблюдается одновременное изменение токов коллектора IК и IБ базы. Эти изменения синфазны, т.е. если увеличивается ток базы, то увеличивается и ток коллектора, а их величины пропорциональны. Поэтому формально для простоты рассмотрения физических процессов в транзисторе по схеме с общим эмиттером будем считать, что выходной ток – ток коллектора IК управляется входным током – током базы IБ, хотя физически это неверно, т.к. реальной причиной изменений тока коллектора являются изменения входного напряжения Uвх, приложенного к эмиттерному переходу. Для характеристики управляющего действия тока базы вводят один из важнейших параметров транзистора – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером, равный отношению приращения коллекторного токаIК к вызвавшему его изменению тока базы IБ при постоянном напряжении на коллекторе:

I К при UK = const.

I Б

Таким образом, процесс усиления в транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером можно формально рассматривать

98

( I КI Б

так: входное напряжение Uвх изменяет входной ток IБ, а уже ток базы вызывает значительно большие изменения тока коллектора IК, т.е. происходит усиление входного сигнала по току.

1 - примерно несколько десятков).

Ввиду наличия сопротивления нагрузки Rн изменение тока коллектора сопровождается изменением падения напряжения на этом сопротивлении. Переменная составляющая этого изменения падения напряжения через конденсатор С подается на выход усилителя в качестве выходного напряжения Uвых. И так как амплитуда тока коллектора IК всегда больше амплитуды тока базы IБ (1), то при достаточной величине сопротивления нагрузки Rн амплитуда выходного напряжения Uвых получается значительно больше амплитуды входного напряжения Uвх. Следовательно, в схеме с общим эмиттером сигнал усиливается по напряжению, по току и мощности P (P=U I), тогда как в схеме с общей базой только по напряжению и по мощности.

Статические характеристики транзистора

Статические характеристики транзистора используются для определения его параметров и для расчета схем. Они бывают входные и выходные, причем внешний вид характеристик одного и того же транзистора зависит от схемы его включения. В данной работе рассматриваются статические характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером.

Входной характеристикой транзистора для схемы с общим эмиттером называется зависимость тока базы от напряжения на базе

IБ=f(UБ)

при постоянном напряжении на коллекторе UK = const, а выходной – зависимость тока коллектора от напряжения на нем IК=f(UК) при неизменном токе базы IБ= const.

Для снятия статических характеристик транзистора с общим эмиттером используется схема, изображенная на рис. 4.

-	Iδ			-
		99	Ik
			μA	R2
R1	μA
		Ux
	V Uб	Iэ	V

+ +

Рисунок 4. Схема для снятия статистических характеристик транзистора с общим эмиттером

Типичное семейство входных характеристик (зависимость IБ от UБ при нескольких постоянных UK) представлено на рис. 5а, а семейство выходных характеристик (IК=f(UК) при нескольких значений тока базы IБ) – на рис. 5б.

Отметим, что при увеличении коллекторного напряжения по модулю входная статистическая характеристика располагается ниже и правее. Объясняется это тем, что при этом расширяется коллекторный переход и соответственно уменьшается ширина базы, вследствие чего уменьшается ток рекомбинации, т.е. ток базы IБ. Основными параметрами транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, являются:

1) коэффициент усиления по току I К при UK = const.

I Б

2)	входное сопротивление R	U Б при U	K	= const.
	вх	I Б
3)	выходное сопротивление R	U К при I = const.
	вых	I К		Б

Вычисляются эти параметры с помощью статических характеристик.

Для определения Rвх надо взять на входной характеристике, снятой при некотором постоянном UK, прямолинейный участок и

100

выбрать приращения UБ и IБ (рис. 5а). Отношение U Б и оп-

I Б

ределяет входное сопротивление Rвх при данном постоянном UK . Видно, что значение Rвх определяется наклоном кривой входной характеристики, который зависит от величины коллекторного напряжения. Аналогичным образом с помощью выходной характеристики определяют Rвых (рис.5б). Приращения UK и соответст-

вующее ему I брать надо на прямолинейном участке. Тогда

К

R	U К .
вых	I
	К

Необходимо отметить, что выходное сопротивление Rвых при разных токах база имеет различные значения, поэтому полученное значение Rвых будет относиться только к определенному току базы IБ3 .

Для нахождения коэффициента усиления необходимо взять две выходные характеристики, снятые при различных значениях базы - IБ4 и IБ3 (рис.5а). Тогда IБ= IБ4-IБ3, а за прираще-

ние I необходимо взять разность значений тока коллектора при

К

одном и том же напряжении UK (на рисунке при UK= UKЭ2), но

I

при различных значениях тока базы. Отношение К и дает зна-

I Б

чение коэффициента усиления при постоянном коллекторном напряжении UKЭ2 .

Целью данной работы является снятие статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и определением по ним основных параметров: Rвх, Rвых и . Для снятия статических характеристик используется схема, изображенная на рисунке 4.

101

IБ, A		UКЭ=0	-UКЭ1	-UКЭ2
		p-n-p
	IБ2
		IБ		UКЭ2> UКЭ1
	IБ1
		UБ
	0	UБ1	UБ2	-UБ, mB
			а
		IБ5 > IБ4> IБ3> IБ2> IБ1
	IK,mA			IБ5
				IБ4
IK2		IK		IБ3
IK1				IK''
				IБ2
		UK		IБ1
				IБ=0
		IK0
0	UKЭ1	UKЭ2	UKЭ3	-UKЭ, B
			б
Рисунок 5. Графики входящих и выходящих характеристик
		для транзисторов с общим эмиттером

102