5.5.12. Селеновые выпрямители

Селеновые выпрямители создаются на основе выпрямляющих гетеропереходов Se – CdSe.

Структура такого гетероперехода показана на рис. 5.33. На алюминиевую пластину последовательно вносятся слои никеля Ni, селена Se, кадмия Cd. При нанесении кадмия Cd происходит образование CdSe с проводимостью n – типа. Слой селена Se имеет проводимость p – типа.

Рис. 5.33

Такой гетеропереход характеризуется низкой плотностью прямого тока 100 мА/см², что в 1000 раз меньше, чем у германиевых и кремниевых диодов. Обратное напряжение составляет 60В. Вследствие большой емкости перехода селеновые выпрямители пригодны для работы только в области НЧ.

ВАХ селенового выпрямителя подобно ВАХ выпрямительных диодов.

Рис. 5.34

Несмотря на плохие параметры селена, выпрямители находят широкое применение, что объясняется их низкой стоимостью.

Промышленность выпускает селеновые выпрямительные столбы, содержащие до 1500 селеновых пластин, включенных последовательно (15ГЕ1440У-С). Такие столбы способны выдерживать напряжения до 40кВ. выпускаются также селеновые выпрямители с параллельным соединением пластин (140ГЖ24Я4У), которые позволяют получить прямой ток до 500А.

5.5.13. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

Светоизлучающий диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для отображения информации.

Светодиод (СИД) получают на основе p-n или гетеропереходов с выпрямляющей ВАХ.

Рис. 5.35

Излучение в области перехода вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока. При этом рекомбинирующий электрон переходит из ЗП в ВЗ с выделением кванта света с энергией h  W₃. Для получения квантов видимого света ширина ЗЗ должна составлять W₃  1,7эВ. При W₃ < 1,7эВ излучение находятся в инфракрасном диапазоне.

Такой величиной W₃ обладают полупроводниковые соединения GaAsP с различным соотношением элементов 1,4 < W₃ < 2. (цвета красный, зеленый).

Рис. 5.36

В обычных плоских переходах, кванты света поглощаются в кристалле полупроводника вследствие внутреннего отражения. Поэтому в СИД используют сферическую форму кристалла, либо плоский кристалл полупроводника вплавляют в сферическую каплю стекла или пластика, что снижает эффект внутреннего отражения.

Наряду со светодиодами промышленность выпускает полупроводниковые индикаторы – наборы СИД специальной формы.

6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ

6.1.ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

Терморезистор – это резистор, в котором используется зависимость сопротивления от температуры.

Термистор – это терморезистор с отрицательным ТКС.

Термисторы используют эффект снижения сопротивления полупроводника с ростом температуры и описываются температурной характеристикой:

,

Рис. 6.1

где В – коэффициент температурной чувствительности.

К параметрам термисторов относятся:

• номинальное сопротивление при заданной температуре (20⁰С); (10 –100*10³Ом),

• В  700  1500⁰K,

• ТКС  -(0,8  6)10^-2К^-1.

ВАХ термистора – это зависимость между током и напряжением в условиях теплового равновесия с окружающей средой.

Рис. 6.2

При малых токах термистор практически не нагревается – характеристика линейна.

При больших токах вследствие нагрева падение напряжения с ростом тока замедляется.

Промышленность выпускает специальные датчики лучистой энергии на основе термисторов – болометры.

Рис. 6.3

Один из термисторов нагревается инфракрасным излучением и его сопротивление является мерой лучистой энергии. Второй термистор служит для компенсации температуры окружающей среды.

Позистор – полупроводниковый терморезистор с положительным ТКС. У некоторых полупроводников наблюдается аномальная температурная характеристика (BaTiO₃ с примесями La,Ta).

Рис. 6.4

6.2. ВАРИСТОРЫ

Варистор – это полупроводниковый резистор с нелинейным сопротивлением.

Рис. 6.5

ВАХ варистора аппроксимируют выражением: I = AU^, где A – коэффициент,  - коэффициент нелинейности варистора, и имеет вид. ВАХ варистора изображен на рис. 6.6.

Рис. 6.6

Величина  также зависит от напряжения и температуры.

Рис. 6.7

Однако при небольших изменениях тока и напряжения можно считать, что  = const.

7. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

7.1.Фотопроводимость полупроводников

Как известно, проводимость полупроводников определяется выражением

.

Эту проводимость, наблюдаемую при отсутствии освещения, называют темновой проводимостью.

При освещении вследствие поглощения квантов света происходит генерация пар носителей электрон-дырка. Поэтому концентрация носителей возрастает на и, а величинаназывается фотопроводимостью. При этом.

С прекращением освещения избыточные носители рассасываются, и проводимость полупроводника постепенно снижается до . Это явление называется релаксацией фотопроводимости.

Важнейшей характеристикой проводимости является спектральная характеристика – зависимость от длины волны падающего света.

1

2

Р ис. 7.1

Участок 1 соответствует квантам высоких энергий, которые обеспечивают генерацию пар носителей заряда, , где -ширина запрещенной зоны. Участок 2 соответствует квантам с энергиями ,, где ∆W_Д , < - энергии ионизации донорных или примесных атомов.

7.2. ФОТОРЕЗИСТОРЫ

Фоторезистор - это полупроводниковый двухполюсный прибор, сопротивление которого изменяется под действием света.

Действие фоторезистора основано на явлении фотопроводимости. Устройство и обозначение приведены на рис. 7.2.

Рис. 7.2

Материалом для изготовления светочувствительного токопроводящего слоя служат: сернистый свинец PbS, селенид кадмия CdSe и др.

ВАХ фоторезистора зависит от освещенности Е.

I

E=0

U

Рис.7.3

Световая или люкс-амперная характеристика показывает зависимость фототока от освещенности.

Е

Рис. 7.4

Спектральная характеристика фоторезистора – зависимость фототока от длины волны падающего света. Эта характеристика определяется материалом светочувствительного слоя.

50%



Рис. 7.5

К важнейшим параметрам фоторезисторов относятся:

1. Удельная интегральная чувствительность .

Она характеризует изменение проводимости под действием светового потока Ф.

2. Постоянная времени – время, в течение которого фототок изменяется в раз (на 63%) при освещении или затемнении фоторезистора. Эта величина характеризует быстродействие фоторезистора.

3. Темновое сопротивление – это сопротивление фоторезистора через 30 сек. после его затемнения (через 16 часов может измениться в 1000 раз).

7.3. ОБЛУЧЕНИЕ СВЕТОМ p-n ПЕРЕХОДА

Рассмотрим p-n переход, смещенный в обратном направлении и освещенный потоком квантов света.

Ф

Рис. 7.6

Пары носителей зарядов, образующиеся в результате световой генерации, разделяются полем перехода – неосновные носители подхватываются полем и перебрасываются в противоположную область, основные носители задерживаются полем перехода. Поэтому происходит накопление нескомпенсированных носителей дырок в p-области, электронов в n-области, которые создают добавочную разность потенциалов, называемую фото-ЭДС. Величина фото-ЭДС зависит от светового потока Ф и составляет 0,1 – 1 В.

Фото-ЭДС направлена навстречу контактной разности потенциалов. Поэтому при освещении обратное смещение в p-n переходе уменьшается, и через переход протекает ток, зависящий от величины светового потока Ф.

ВАХ освещенного p-n перехода определяется выражением:

,

где - ток, создаваемый носителями, генерируемыми под действием света.

Величина фототока пропорциональна световому потоку ,

где - интегральная чувствительность p-n структуры.

4. ФОТОДИОДЫ

Фотодиод - это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.

Действие фотодиода основывается на управлении обратным током световым потоком. Устройство фотодиода и его обозначение показано на рис. 7.7.

линза

п/п

__

выводы

Рис. 7.7

Фотодиоды выполняют на основе германия или кремния, а также на основе переходов металл – полупроводник и гетеропереходах.

ВАХ фотодиода снимаются при фиксированном световом потоке Ф и имеют вид, изображенный на рис. 7.8.

I

U

Ф=0

Рис. 7.8

С ростом светового потока Ф растет обратный ток диода. Световая характеристика фотодиода линейна (положительное свойство).

Ф

Рис. 7.9

Спектральная характеристика подобна спектральной характеристике фоторезистора и зависит от материала полупроводника, наиболее широкая у диодов на гетеропереходах.

Рис. 7.10

К основным параметрам фотодиода относятся :

- интегральная чувствительность ,

- постоянная времени  ~ 50 нСек, т.е. инерционность фотодиодов значительно меньше, чем инерционность фоторезисторов.

Для диодов на переходах металл- полупроводник  ~ 0,1- 0,01нСек.

4. ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

Фототранзистор – биполярный транзистор, способный усиливать фототок.

Фототранзистор отличается от обычного биполярного наличием окна, через которое освещается база транзистора.

Под действием света в базе генерируются пары электрон-дырка. У коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, носители разделяются: электроны полем коллекторного перехода перебрасываются в коллектор, увеличивая ток коллектора, а дырки остаются в базе. Накапливающийся в базе заряд дырок увеличивает прямое смещение эмиттерного перехода.

Поэтому возрастает инжекция электронов, которая приводит к росту тока коллектора. Таким образом, происходит усиление фототока.

Б

Рис. 7.11

Ток коллектора определяется выражением:

.

Откуда следует, что интегральная чувствительность фототранзистора в (+1) раз выше, чем у фотодиода.

.

Схема со свободной базой обладает наибольшей чувствительностью к свету, но не стабильна. Для термостабилизации к внешней цепи подключают вывод базы, но при этом проигрывают в чувствительности.

При подключении вывода базы к внешней схеме заряд, накопленный в базе, может уходить во внешнюю цепь. При этом снижается влияние светового потока на инжекцию из эмиттера, усиление фототока падает.

ВАХ фототранзистора подобны ВАХ биполярного транзистора. Например выходные ВАХ, имеют вид, изображенный на рис. 7.12.

Рис. 7.12

Но снимаются они при фиксированном световом потоке Ф. Световая и спектральная характеристика фоторезистора подобны характеристикам фотодиода. К числу параметров фототранзисторов относятся обычные параметры биполярных транзисторов, а также интегральная чувствительность . Используются в основном в оптронах.

7.6. ФОТОТИРИСТОРЫ

Работают аналогично обычным тиристорам. Однако накопление неравновесных зарядов в фототиристоре может происходить и под действием света. Поэтому, фототиристор является аналогом управляемого тиристора, управление которым осуществляется светом, предназначены для работы в оптронах.

7.7. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА. ОПТОПАРЫ

Оптопарой называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприёмного элемента, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.

В качестве излучающего элемента обычно используется светодиод. В качестве приёмника излучения могут использоваться фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, однопереходный фототранзистор или фототиристор. Соответственно различают резисторные, диодные, транзисторные и тиристорные оптопары.

Конструктивно передатчик и приёмник излучения объединены в один корпус.

Вх Вых

Рис. 7.13

Принципы действия оптопары заключается в следующем. При изменении входного тока через светодиод изменяется интенсивность излучения. Поэтому изменяются свойства фоточувствительного приёмного элемента, которые определяют токи и напряжения в выходной цепи.

Оптопары способны усиливать входной сигнал за счёт энергии источника, включённого в выходную цепь. В качестве линейных усилителей могут использоваться резистивные, диодные и транзисторные оптопары.

Однако, вследствие высокой инерционности фоторезисторов, частотный диапазон резисторных оптопар ограничен областью низких и средних частот.

Тиристорные оптопары работают только как переключательные элементы.

Основное достоинство оптопар, обеспечивающее им широкое применение – гальваническая развязка входной и выходной цепей.

Например, удаленная связь между компьютерами; связь между низковольтными и высоковольтными системами.

Пример включения показан на рис. 7.14.

+ Еп1 + Еп2 +Еп3

R1 R2 R3

VT2

VD1 VD2 Выход

удаленное

соединение

VT1 оптрон1 оптрон2

Вход

 Еп2  Еп3

 Еп1

Рис. 7.14

8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярным транзистором называют трехполюсный электропреобразовательный полупроводниковый прибор с двумя выпрямляющими электрическими переходами, способный усиливать мощность за счет инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Транзисторы называются биполярными т.к. их работа основана на использовании носителей обеих полярностей – электронов и дырок.

8.1. УСТРОЙСТВО ТРАНЗИСТОРА

Устройство транзистора схематично показано на рис. 8.1.

Рис. 8.1

Транзистор представляет собой пластину полупроводника, в которой создано три области различной проводимости, разделенные двумя p-n переходами.

Одну из крайних областей транзистора легируют значительно сильнее, чем две другие. Эту область используют для инжекции свободных носителей и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой. Основное назначение третьей области – коллектора – экстракция и выведение неосновных носителей из базы. Поэтому размеры коллектора больше, чем эмиттера.

В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их обозначения приведены на рис. 8.2.

Рис. 8.2

С точки зрения технологии изготовления различают сплавные, диффузионные и планарные транзисторы. В сплавных и диффузионных транзисторах крайние области создают с помощью вплавления или диффузии соответствующих примесей в базовую пластину полупроводника. В планарных (плоских) транзисторах чередование областей создают с помощью последовательной диффузии различных примесей.

Рис. 8.3

Коллектор двухслойный типа n⁺ n. Область n⁺ обеспечивает малое сопротивление коллекторной области, область n – малую емкость и высокое пробивное напряжение коллектора.

8.2. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Каждый из p-n переходов транзистора может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. Поэтому различают 3 режима работы транзистора:

1. Режим отсечки – оба p-n перехода смещены в обратном направлении, при этом через транзистор текут малые обратные токи переходов.

2. Режим насыщения – оба p-n перехода смещены в прямом направлении, при этом через транзистор протекают большие прямые токи p-n переходов (токи инжекции).

3. Активный режим. Это основной режим работы транзистора, он подразделяется на два подвида:

3.1 активный нормальный режим: эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном,

3.2 активный инверсный режим: эмиттерный переход смещен в обратном направлении, коллекторный – в прямом.

Основное назначение транзистора – усиление мощности входного или управляющего сигнала (в этом смысле трансформатор не является усилителем, т.к. он усиливает либо только ток, либо напряжение). Усиление обеспечивает только активный режим работы транзистора, в котором транзистор может выполнять функции активного элемента для генерирования, усиления, переключения сигналов. В режиме отсечки и насыщения транзистор практически не управляем, т.е. не способен усиливать мощность.

Постоянные напряжения смещения к полюсам транзистора могут быть подключены тремя способами:

Рис. 8.4

В зависимости от электрода, потенциал которого принимается за общий, различают схемы включения с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).

На рис. 8.4. представлены схемы включения p-n-p транзистора в активном нормальном режиме. Для n-p-n транзисторов полярности источников напряжения сменятся на обратные.

В подавляющем большинстве применений транзистора цепь базы или эмиттера является входной, т.к. к ним подводятся входные управляющие сигналы, а цепь коллектора – выходной, т.к. в неё включают сопротивление нагрузки.

8.3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНЗИСТОРА

Рассмотрим принцип действия n⁺-p-n транзистора. При отсутствии внешних напряжений вся система характеризуется единым уровнем Ферми. Поэтому энергетическая диаграмма имеет вид:

Рис. 8.5

Потенциальные барьеры на границах p-n переходов препятствует диффузионному движению носителей через переход. При этом дрейфовые токи основных и неосновных носителей через переходы равны и противоположны. Поэтому суммарные токи в каждом переходе равны нулю.

При подключении транзистора по схеме с ОБ в активном нормальном режиме энергетическая диаграмма изменится – потенциальный барьер в эмиттерном переходе уменьшится, а в коллекторном – увеличится. Энергетическая диаграмма примет вид:

Рис. 8.6

Вследствие снижения потенциального барьера на эмиттерном переходе из эмиттера в базу, начинается диффузионное движение или инжекция электронов.

Поскольку область эмиттера легирована значительно сильнее, чем область базы (N_ДЭ » N_АБ), то инжекцией дырок из базы в эмиттер можно пренебречь. Поэтому ток эмиттера в основном определяется потоком инжекции электронов: I_Э  I_Эn+ I_Эp (т.к. ток направлен противоположно потоку электронов, то I_Э  - I_kЭ).

Вследствие инжекции концентрация электронов в области базы вблизи эмиттерного перехода резко возрастает. Появляется градиент концентрации электронов, который обуславливает диффузионное движение электронов в направлении коллекторного перехода. По мере продвижения к коллекторному переходу часть электронов будет рекомбинировать с дырками, являющимися основными носителями в базе. Вследствие рекомбинации возникает ток базы I_б.

В транзисторах ширина базы W_б выбирается так, чтобы диффузионная длина неосновных носителей L_n была значительно больше W_б (L_n >> W_б).

Поэтому подавляющая часть электронов (99%), инжектированных в базу, диффундирует к коллекторному переходу, не успевая рекомбинировать с дырками в базе. Вблизи коллекторного перехода электроны подхватываются ускоряющим полем коллекторного перехода и втягиваются в коллектор. Происходит экстракция электронов из базы в коллектор. Этот поток электронов образует ток коллектора I_к.

Легко заметить, что I_э = I_к + I_б

Для количественной оценки составляющих полного тока через эмиттерный переход используют коэффициент инжекции, так как,то коэффициент инжекции близок к единице :

Процессы рекомбинации носителей в базе, определяющие токи базы, приход дырок из внешней цепи - ток в базу (дефицит при рекомбинации); движение дырок, число которых равно числу электронов, ушедших через коллекторный переход, направленное из базы) можно охарактеризовать коэффициентом переноса неосновных носителей через базу:

.

Коэффициент тем ближе к единице, чем меньше толщина базыW_б по сравнению с диффузионной длиной электронов L_{n .}

Коэффициенты инжекции и переносарассчитываются теоретически.

Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители, инжектированные эмиттером, достигли бы коллектора. И ток I_э был бы равен току коллектора I_к.

Однако в действительности только часть тока эмиттера составляют электроны и только их частьдоходит до коллекторного перехода. Поэтому ток коллектора, вызванный инжекцией неосновных носителей через эмиттерный переход определяется :где, -коэффициент передачи эмиттерного тока (или коэффициент усиления по току),не превышает единицы, т.к.именьше 1 и составляет0,990,96.

Кроме тока, вызванного инжектированием в базу неосновных носителей, через коллекторный переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток (ток насыщения, тепловой ток) I_кбо. Причины его возникновения те же, что и в одиночном р-n переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи .

Таким образом, в транзисторе через эмиттерный переход протекает управляющий входной ток I_э (цепь Э-Б), через коллекторный переход протекает управляемый (выходной) ток и обратный ток коллектораI_кбo (в цепи К-Б), а через базу – разностной ток Э и К I_б. В реальных транзисторах незначительные смещения эмиттерного перехода в прямом направлении (U_эб) вызывают значительные изменения тока I_э, а следовательно и тока I_к, коллекторный переход смещен в обратном направлении и поэтому ток I_к практически не зависит от U_кб, т.к. не зависимо от его величины, в коллектор переходят практически все электроны инжектированные эмиттером. Так как I_э I_к, то усиление по току отсутствует, но, т.к. обычно , то на включенной в цепь коллектора нагрузке можно получить значительные изменения напряжения, т.е. получить усиление по напряжению, и следовательно по мощности.

Биполярный транзистор является прибором, в котором входной ток управляет выходным, т.е. усилительным прибором с управлением по току.

В режиме насыщения оба перехода включены в прямом направлении. При этом инжекция носителей в базу происходит через оба перехода. Поэтому ток экстракции носителей из базы в коллектор снижается на величину тока инжекции из коллектора в базу. В базе наблюдается накопление носителей и их интенсивная рекомбинация. Вследствие этого ток базы сравним с током эмиттера. Усиление практически отсутствует.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении и через переходы протекают только тепловые токи насыщения, а также токи утечки. Поэтому управление транзистором невозможно.

8.4. ОБЪЁМНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ БАЗЫ

Для снижения интенсивности рекомбинации инжектированных из эмиттера неосновных носителей, базу транзистора изготовляют из слаболегированных полупроводников. Поэтому объемное сопротивление тела базы r_б имеет существенную величину (до 100 Ом). Ток базы, протекая через r_б приводит к снижению напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБэфф=U_ЭБ-I_б r_б, что заметно влияет на работу транзистора.

Величина r_б определяется формулой:

r_б ,

где - уд. сопротивление,- толщина базы.

Для снижения потерь инжектированных из эмиттера носителей стремятся уменьшить W_Б. Сужение канала протекания базового тока I_б, также приводит к увеличению r_б.

_{Рис. 8.7}

8.5. МОДУЛЯЦИЯ ШИРИНЫ БАЗЫ ТРАНЗИСТОРА

Ширина запирающего слоя коллекторного перехода при обратных смещениях определяется формулой:

.

Tак как концентрация акцепторных примесей Na мала (база слаболегирована), то толщина d_к значительна и простирается в основном в области базы. С ростом обратного смещения U_кб растет ширина запирающего слоя, а толщина базы W_б уменьшается. Этот эффект называют модуляцией ширины базы или эффект Эрли.

Рис. 8.8

Снижение W_Б ведет к увеличению градиента концентрации неосновных носителей в базе, что приводит к росту диффузионного тока I_э. Для уменьшения I_э до прежнего значения можно снизить прямое смещение U_эб. Тогда n_э уменьшиться и градиент примет прежнее значение.

Таким образом, вследствие эффекта Эрли I_э слабо зависит от U_кб. Для сравнения степени влияния U_кб и U_эб на ток эмиттера используют коэффициент обратной связи по напряжению:

,

т.е. напряжение U_кб слабо влияет на ток I_э и, следовательно, на ток I_к.

8.6. КОЭФФИЦЕНТЫ ПЕРЕДАЧИ ТОКА В СХЕМАХ ОБ И ОЭ

С учетом обратного тока коллектора I_кбо, ток коллектора:

,

где величина называется коэффициентом передачи тока эмиттера.

Величина характеризует работу транзистора в схеме с ОБ. В современных транзисторах.

Как показывают измерения, незначительно зависит от величины токаI_э.

Рис. 8.9

Переписывая выражение для тока I_к, получаем:

.

Откуда .

Величина называется коэффициентом передачи тока базы и характеризует работу транзистора в схеме с ОЭ. В современных транзисторах 10. В отличие отвеличина β сильно зависит от тока эмиттера.

При активном инверсном режиме определяют также инверсные коэффициенты:

- для схемы с ОБ ,

-для схемы с ОЭ .

8.7. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ

Транзистор при включении по любой схеме может характеризоваться четырьмя семействами характеристик:

- входные характеристики I_вх = f (U_вх), U_вых – сonst,

- выходные характеристики I_вых = f (U_вых), I_вх – const,

- характеристики передачи то току I_вых = f (I_вх), U_вых – const (,),

- характеристики обратной связи по напряжению U_вх = f (U_вых), I_вх – const ().

Семейство входных характеристик транзистора в схеме с ОБ с транзистора p-n-p типа:

I_Э =f (U_Э), U_К-const.

Рис. 8.10

U_К - параметр семейства. ВАХ при U_К=0 аналогична ВАХ диода, I_Э экспоненциально увеличивается при увеличении U_ЭБ.

Увеличение отрицательных значений U_К вызывает смещение кривых влево. Это связано с эффектом Эрли. С увеличением U_КБ при постоянном I_Э прямое напряжение на эмиттере U_ЭБ уменьшается.

Семейство выходных характеристик транзистора в схеме с ОБ.

I_К = f (U_КБ), I_Э-const.

Характерная особенность выходных сигналов характеристик – слабая зависимость I_К от U_К.

При I_Э = 0 и U_К < 0 в цепи коллектора протекает обратный ток I_КО, величина которого слабо зависит от U_{К .}

Рис. 8.11

При I_Э > 0 и U_К = 0 ток I_К может достигать значительной величины (инжектированные носители переносятся через базу и доходят до коллектора за счет диффузии). При U_К > 0 характеристики сильно изгибаются (режим насыщения). Коллекторный переход включен в прямом направлении, возрастает ток инжекции из коллектора в базу, направленный встречно току экстракции коллектора, поэтому полный ток I_К уменьшается и достигает 0.

Семейство входных характеристик для транзистора в схеме ОЭ.

I_Б = f (U_БЭ), U_КЭ-const

_{Рис. 8.12}

Характеристики аналогичны характеристикам с ОБ. Расположение характеристик определяется U_КЭ. Однако характеристики, снятые для больших значений U_КЭ располагаются справа от характеристики для U_КЭ = 0 (отличие от ВАХ для ОБ). Смещение характеристик вправо при увеличении связано с уменьшением общего количества неосновных носителей в базе, и, следовательно, с уменьшением количества рекомбинирующих носителей (эффект Эрли).

Рис. 8.13

Семейство выходных характеристик для транзистора в схеме ОЭ.

I_К = f (U_КЭ), I_Б-const

Рис. 8.14

По сравнению с выходными характеристиками схемы ОБ выходные характеристики схемы ОЭ имеют больший наклон (выше крутизна). Это объясняется более сильной зависимостью коэффициента передачи тока базы от U_{КЭ .}

Начальные участки всех характеристик выходят из начала координат, т.к. при U_КЭ= 0 ток через коллекторный переход отсутствует.

Смещение характеристик вверх связано с увеличением при увеличениипри постоянствеU_К.

I_кос > I_КО, т.к. при = 0 существует небольшоеU_ЭБ из-за U_ЭК и I_K0 из-за инжекции увеличивается.

8.8. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДРЕЙФ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРА

Изменение температуры окружающей среды существенно влияет на статистические характеристики транзистора. Поскольку статические характеристики подобны ВАХ p-n перехода, то основной причиной температурной нестабильности, так же как в p-n переходе, является температурная зависимость обратных токов переходов и, в особенности, I_КБ0.

В гелиевых транзисторах основную долю тока I_КБ0 составляет тепловой ток насыщения, в кремниевых – ток термогенерации. Зависимость тока I_КБ0 от температуры имеет вид I_КБ0(t) ≈ I_КБ0(20⁰C) . То есть токI_КБ0 удваивается при увеличении температуры на 10⁰C.

В схеме с ОБ температурный дрейф выходных характеристик не велик. Это объясняется следующим. Ток коллектора определяется выражением: .

Тогда при I_э = const , или относительное изменение

.

Рис. 8.15

Коэффицент α от температуры зависит слабо: при изменении температуры от t_{раб min} = - 60⁰C до t_{раб max} = 70⁰ + 125⁰C α изменяется на 3-5%.

Второй член , несмотря на сильную зависимостьI_КБО от температуры, также мал, т.к. I_К >> I_КБО.

Температурный дрейф входных характеристик значителен входной ток I_Э сильно возрастает с ростом температуры.

Рис. 8.16

В схеме с ОЭ входные характеристики существенно зависят от температуры. I_К

Рис. 8.17

Так как , то приI_Б = const

т.е. β = 99 относительное изменение тока коллектора составляет уже 300÷500%.

Выходные характеристики схемы с ОЭ, снятые при U_БЭ = const имеют значительно меньший температурный дрейф, т.к. больше соответствуют режиму I_Э = const (см. схему с ОБ). Поэтому для температурной стабилизации рабочего режима транзистора требуется стабилизировать напряжение смещения U_БЭ.

Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ также сильно зависят от температуры. Поскольку ток базы складывается из токов коллекторного и эмиттерного переходов, эта зависимость носит сложный характер.

В целом, схема с ОЭ в сравнении со схемой ОБ, сильнее подвержена влиянию температуры. Поэтому для схем с ОЭ обязательно необходимо предусматривать средства температурной стабилизации режима.

9. НЕЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ ТРАНЗИСТОРА

При расчете статического состояния электронных схем, транзистор заменяют эквивалентной схемой, учитывающей нелинейные свойства транзистора. Эта модель носит название модель Эберса-Молла и состоит их двух диодов – эмиттерного и коллекторного и двух источников тока, отображающих взаимодействие этих диодов.

Рис. 8.18

Токи эмиттера и коллектора определяются уравнениями:

, ,

где - коэффициент передачи тока в активном инверсном режиме.

Токи диодов определяются их ВАХ:

, ,

где и- начальные токи переходов.

В более точной модели учитывают сопротивления областей эмиттера – r_Э, базы - r_Б и коллектора - r_К.

Дальнейшего уточнения модели достигают при учете эффекта модуляции ширины базы, т.е. .

8.10. ТРАНЗИСТОР КАК ЛИНЕЙНЫЙ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК

Токи и напряжения в транзисторе связаны нелинейными зависимостями. Поэтому в общем случае транзистор следует рассматривать как нелинейный четырехполюсник. Однако, при произвольных постоянных токах и напряжениях на электродах транзистора и воздействии малого сигнала статические характеристики транзистора могут быть линеаризованы в области рабочей точки.

Рис. 8.19

Например, линеаризация входной характеристики в области рабочей точки B эквивалентна замене экспоненциальной зависимости линией касательной в точке B. При этом нелинейные зависимости заменяются линейными, а транзистор характеризуется как линейный четырехполюсник.

Линеаризация характеристик допустима лишь при малых сигналах U₁, т.к. при больших сигналах ошибка становится недопустимо большой. Поэтому параметры, характеризующие линеаризованный транзистор называют малосигнальными параметрами, а также дифференциальными параметрами, т.к. линеаризация выполняется касательными.

Рис. 8.20

Представление транзистора в виде эквивалентного линейного четырехполюсника широко используется в радиотехнических расчетах. При этом связь между изменениями токов ,и напряженийи, в общем случае комплексными, описывается с помощью одной из трех систем параметров –Z, Y или H.

Причем, в зависимости от схемы включения транзистора, каждая система параметров определяется для схем ОБ, ОЭ, ОК отдельно.

8.11. СИСТЕМА Z – ПАРАМЕТРОВ

В этой системе: , где,и т.д. параметры имеют размерность сопротивления. Эти параметры измеряют в режиме разомкнутой цепи (холостого хода) по переменной составляющей. Вследствие сложности измерения этих параметров они практически не применяются.

8.12. СИСТЕМА Y – ПАРАМЕТРОВ

В этой системе: , где параметрыy_ij – это проводимости, измеряемые в режиме короткого замыкания по переменной составляющей ,и т.д.

Эта система параметров широко используется для описания высочастотных свойств транзистора, т.к. режим короткого замыкания на ВЧ реализуется достаточно просто.

8.13. СИСТЕМА Н – ПАРАМЕТРОВ

Наибольшее применение получила система h-параметров это смешанная система: , где

- входное сопротивление при КЗ по переменной составляющей на выходе,

- коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе,

- дифференциальный коэффициент передачи тока при КЗ по переменной составляющей на выходе,

- выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе по переменной составляющей.

Систему h-параметров широко используют на НЧ, когда пренебрежимо малы емкостные составляющие токов.

Значения h-параметров легко определяются по входным и выходным характеристикам транзистора. Для этого определяют рабочую точку на характеристиках и выполняют их линеаризацию вблизи рабочей точки. Воздействия токов и напряжений малого сигнала ,,,моделируют (имитируют) небольшими отклонениями положения рабочей точки.

Например,

, .

Отметим, что параметр совпадает с β, асовпадает с α.

Параметры транзисторов в разных схемах включения однозначно связаны между собой. Всегда можно перейти от одной системы параметров к другой системе.

Вследствие сильной зависимости статических характеристик транзистора от температуры наблюдается также температурная зависимость малосигнальных параметров.

8.14. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОДОВ И ЕМКОСТИ ТРАНЗИСТОРОВ

Эмиттерный и коллекторный переходы характеризуются дифференциальными сопротивлениями:

; ,

где r_б - сопротивление тела базы.

Оба перехода обладают барьерной и диффузионной емкостью.

С_бЭ - шунтирована малым сопротивлением r_Э.

С_дЭ значительно превосходит С_бЭ, но ее учитывают в расчетах зависимости коэффициента передачи тока эмиттера от частоты.

Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (активный режим), то его С_дк меньше С_дЭ. Поэтому учитывают обычно С_бк. В справочниках обычно дается значение емкости коллекторного перехода С_кп измеренная между К и Б при отключенном эмиттере и обратном смещении на коллекторе, или емкость эмиттерного перехода.

8.15. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРА В ЛИНЕЙНОМ РЕЖИМЕ

Представление транзисторов в форме активного линейного четырехполюсника часто используют для расчета электронных схем. При этом транзистор заменяют эквивалентной электрической схемой, составленной из линейных элементов – R, C, L, генераторов тока и напряжения, которая по своим свойствам при заданном малом сигнале и в заданной рабочей точке не отличается от транзистора.

Различают формальные и физические эквивалентные схемы.

Формальные эквивалентные схемы строят на основе описания транзистора заданной системой параметров. Например, используя H-параметры транзистор можно представить эквивалентной схемой.

Рис. 8.21

Рис. 8.22

Такие эквивалентные схемы можно представить в виде Т и П – образных схем, содержащих 3 резистора и 1 источник тока или напряжения.

Физические эквивалентные схемы составляют с учетом физических процессов протекающих в транзисторе, элементы этих схем выражают конкретные параметры транзистора.

Эквивалентная схема транзистора в схеме с ОБ.

Рис. 8.23

Эмиттерный и коллекторный переходы представлены дифференциальным сопротивлениями r_Э и r_к.

Эффект передачи эмиттерного тока в цепь коллектора показан эквивалентным генератором тока αJ_Э.

Обратная связь по напряжению вследствие модуляции толщины базы отображена включением в цепь базы сопротивления .-объемное сопротивление базы.- диффузионное сопротивление базы обусловленное влияниемU_кб на U_Э в результате модуляции толщины базы.

, для j ≈ 1, α ≈ δ и .

Эквивалентная схема транзистора в схеме с ОЭ.

Рис. 8.24

Эффект усиления тока в схеме учитывается генератором тока βJ_б. Из выражения следует, что в схеме с ОЭ усиление по току значительно больше единице. Для α = 0,99 β = 100.

Коллекторный ток в схеме ОЭ определяется выражением , где- это обратный ток протекающий через коллекторный переход при разомкнутой базе (J_б = 0) и называется сквозным током коллектора (обратный ток эмиттерного перехода).

Сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ .

Емкость коллекторного перехода .

Особенности схемы: уменьшение r_КЭ и увеличение С_КЭ необходимо учитывать при выборе схемы включения транзистора для конкретного электронного устройства.

8.16. РАБОТА ТРАНЗИСТОРА С НАГРУЗКОЙ

При работе транзистора в электронных схемах, в цепи его электродов подключают не только источники постоянных смещений, но и источники сигналов, а также элементы нагрузки.

Простейший случай – работа транзистора в качестве усилителя низкочастотного синусоидального сигнала малой амплитуды. Под термином «малого сигнала» понимают такой сигнал, амплитуда которого настолько мала, что в пределах изменения напряжения сигнала статические характеристики можно считать линейными, а сам транзистор рассматривать как линейный четырехполюсник.

Для работы транзистора в качестве усилителя необходимо обеспечить определенные токи и напряжения на полюсах транзистора, т.е. задать рабочую точку.

При усилении слабых сигналов рабочая точка должна находиться в активной области статических характеристик.

Рассмотрим выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ. Активная область ограничена областью насыщения (I) и отсечки (II), в которых транзистор теряет усилительные свойства, превышение U_Кдоп (III) или P_Кдоп (IV) выводит транзистор из строя, а превышением I_Кдоп ухудшает усилительные свойства вследствие падения β (V).

Рис. 8.25

Простейшая схема усилителя с ОЭ имеет вид:

Рис. 8.26

Для коллекторной цепи справедливо .

Это уравнение определяет положение линии нагрузки.

Рабочую точку Б’ определяют с помощью входной характеристики транзистора.

Принцип работы усилителя заключается в следующем. При воздействии сигнала U_вх напряжение Е_БЭ суммируется с напряжением сигнала и рабочая точка Б перемещается между А и С на входной характеристики транзистора. Когда амплитуда сигнала мала, участок АС можно заменить отрезком прямой. Перемещение рабочей точки Б вызывает изменение тока базы I_Б. Поскольку I_К ≈ βI_Б, то изменением тока I_Б приводит к соответствующим изменениям тока коллектора I_К. Протекая через R_К ток I_К создает на нем падение напряжения U_вых, которое является усиленной копией входного сигнала U_вх.

Отметим, что U_вых и U_вх – противофазны, т.е. сдвинуты по фазе на 180⁰.

Важнейшими факторами, определяющими усилительные свойства транзисторов являются:

- возможность эффективного управления выходным током I_К за счет входного сигнала (обеспечивается прямым смещением эмиттерного перехода),

- минимальная реакция выходной цепи (обеспечивается обратным смещением коллекторного перехода) (слабая зависимость I_К от U_КБ, т.к. коллекторный переход смещен обратно).

8.17. ДОПУСТИМАЯ МОЩНОСТЬ ТРАНЗИСТОРОВ

Полезная мощность на выходе транзисторов (на нагрузке) определяется:

Р = 0,5J_К1U_К1,

где J_К1 – амплитуда первой гармоники выходного тока, U_К1 – амплитуда первой гармоники выходного напряжения.

Амплитуда первой гармоники выходного тока пропорциональна величине допустимого тока коллектора J_К1 = а₁J_Кдоп, а амплитуда первой гармоники выходного напряжения пропорциональна напряжению питания U_К1 = a₂ E_К, где а₁ и а₂ – коэффициенты пропорциональности. Таким образом Р = 0,5a₁a₂J_Кmax E_К, из этого выражения видно, что максимальная величина полезной мощности P_max, которую можно получить на нагрузке транзистора ограничивается J_Кдоп и E_К (т.е. U_Кдоп).

Кроме того, максимальная величина полезной мощности P_max ограничивается допустимой мощностью рассеивания в транзисторе Р_Кдоп.

Так как полезная мощность Р и мощность рассеивания в транзисторе Р_К связаны через КПД , где η – КПД, то максимально полезная мощность не может превосходить значение.

На семействе выходных характеристик (см. выше) граница области (IV), определяемая максимальной мощностью рассеивания, изображается гиперболой .

Максимальная мощность рассеиваемая транзистором определяется предельной рабочей температурой коллекторного перехода. Т.к. сопротивление эмиттерного перехода r_Э, то при прохождении тока через транзистор основные тепловые потери имеют место в коллекторном переходе. Максимальная температура Т⁰ для германиевых транзисторов до 100⁰. При приближении к этой Т⁰ транзистор значительно изменяет свои свойства.

Для снижения температуры коллекторного перехода при заданной подводимой мощности предусматривается отвод тепла от переходов. Основную роль играет отвод тепла за счет теплопроводности. Для расчета условий теплоотвода используют эквивалентную схему основанную на уравнении теплопроводности.

Рис. 8.27

Транзистор представлен в виде активного двухполюсовика, содержащего источник тепла Р_К, образующего за счет мощности рассеиваемой на коллекторном переходе при температуре перехода Т_К.

От перехода тепло передается через внутреннее термическое сопротивление коллектора R_jT к корпусу транзистора с температурой Т₀.

От корпуса, имеющего ограниченную теплоотдачу, тепло подается на дополнительную поверхность охлаждения. Последняя передает тепло через термическое сопротивление R_T в окружающее пространство имеющее температуру Т.

Проводя расчет схемы, получим разность температур: .

Величина , где λ – коэффициент теплоотдачи,S – поверхность охлаждения. Отсюда поверхность охлаждения .

Для мощных транзисторов для охлаждения предусматриваются специальные радиаторы, которые имеют небольшие объемы, но большую площадь поверхности.

Для получения возможно большей мощности рассеивания необходимо увеличить Т_К и уменьшить R_jT.

Кремниевые транзисторы могут работать до 150⁰С.

Уменьшение внутреннего термического сопротивления R_jT затруднено, т.к. это определяется конструктивными особенностями транзистора.

В маломощных транзисторах непосредственно с корпусом соединена база и поэтому отвод тепла от коллекторного перехода осуществляется через тонкую пластину базы. При этом термическое сопротивление между переходом и корпусом транзистора R_jT велико ≈ 2000⁰ - 3000⁰ град/вт.

В мощных транзисторах осуществляется непосредственный контакт коллектора с корпусом прибора, коллекторная область припаивается к массивному корпусу. При этом термическое сопротивление между переходом и корпусом значительно снижается (до 0,5 - 1град/вт), что позволяет рассеивать на коллекторе мощность до сотен ватт.

8.18. РАБОТА ТРАНЗИСТОРА НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

На частотные свойства транзистора оказывают влияния емкости С_Э и С_К, а также инерционные процессы диффузионного движения носителей в базе.

В общем случае С_Э и С_К включают как барьерные емкости переходов, так и диффузионные. Поэтому их величины зависят от режима работы транзисторы и выбора рабочей точки. Вследствие шунтирующего действия С_Э снижается инжекция носителей в базу, т.е. качество эмиттера ухудшается, а ток инжекции отстает по фазе от тока эмиттера.

Большое значение имеют процессы в базе. Пусть в базу инжектируется короткий импульс тока, компактный пакет носителей заряда.

Рис. 8.28

Рис. 8.29

Вследствие конечного времени диффузии пакет носителей достигнет коллектора не мгновенно, а через некоторое время τ.

Вследствие разброса скоростей отдельных носителей заряда границы пакета у коллектора размываются – импульс тока коллектора получается колоколообразный.

Если время τ сравнимо с периодом входных колебаний, то распределение концентраций носителей в базе будет отличаться от линейного, градиент концентрации снижается, что ведет к падению коэффициентов α и β.

При отключении тока эмиттера ток коллектора спадает постепенно, т.к. носители заряда, накопившиеся в базе, покидают базу не мгновенно, а в течение времени рассасывания t_p. За это время неосновные носители уходят из базы через оба перехода, а также рекомбинируют в базе.

Итак, вследствие инерционности процессов переноса тока в транзисторе наблюдается сдвиг по фазе между токами электродов. Поэтому коэффициенты α = h_21Б и β = h_21Э являются комплексными функциями частоты, т.е.

, где ; ,

где h_21О – коэффициент передачи тока на низкой частоте.

Эта зависимость имеет вид.

Рис. 8.30

Частота ω_h21 называется предельной частотой коэффициента передачи тока. На этой частоте уменьшается враза.

В справочниках приводится также граничная частота передачи тока базы в схеме ОЭ - ω_грЭ, при которой h_21Э ≈ 1, а также максимальная частота генерации ω_гmax, при которой коэффициент усиления сигнала по мощности падает до 1. При этом транзистор уже не способен работать в схемах генераторов сигналов.

Величины ω_h21, ω_гр, ω_гmax описывают частотные свойства транзисторов и называются высокочастотными параметрами транзистора. Их значения в современных высокочастотных транзисторах составляют сотни Мгц.

8.19. РАБОТА ТРАНЗИСТОРА В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ

Для работы в импульсном или ключевом режиме используют схему с ОЭ.

Рис. 8.31

Рабочую точку располагают в области отсечки статических характеристик. При подаче на базу импульса тока положительной полярности открывается эмиттерный переход и с задержкой t₃ появляется коллекторный ток. Задержка t₃ обусловлена конечным временем пролета инжектированных носителей от эмиттера к коллектору. Длительность фронта t_ф импульса определяется разбросом скоростей инжектированных носителей.

Рис. 8.32

В течение времени t₃ + t_ф транзистор работает в активном нормальном режиме. При этом в базе накапливается объемный заряд инжектированных носителей.

Начиная с момента t_ф транзистор переходит в режим насыщения, т.е. открывается коллекторный переход. При этом ток коллектора ограничен только сопротивлением R_К. Подавляющая часть напряжения Е_К падает на сопротивлении R_К. При этом U_КЭ < U_БЭ и составляет U_КЭ ≈ 0,10,4В – напряжение насыщения на транзисторе.

В момент времени t_U импульс тока базы оканчивается. Но ток базы падает не до нуля, а меняет знак, т.к. начинается процесс рассасывания носителей заряда, накопленных в базе в режиме насыщения. В течение времени рассасывания t_P ток коллектора практически не изменяется, т.к. продолжается экстракция накопленных носителей заряда из области базы.

С окончанием рассасывания носителей в базе транзистор за время t_С возвращается в режим отсечки.

Итак, инерционность носителей заряда в транзисторе приводит к существенному искажению импульсных сигналов. При коротких промежутках между импульсами базового тока, эти импульсы могут оказаться не различимы.

Рис. 8.33

Величины t₃, t_ф, t_Р, t_С, являются импульсными параметрами транзистора. Их значения в современных импульсных транзисторах составляет единицы нСек.

8.20. СОСТАВНОЙ ТРАНЗИСТОР

С целью повышения коэффициента усиления по току и напряжению и получения большего входа и меньшего выхода сопротивлений применяют схему так называемого составного транзистора.

Рис. 8.34

Эквивалентная схема составного транзистора.

Рис. 8.35

Коллекторы двух транзисторов соединены вместе и являются общим электродом, а эмиттер первого транзистора подсоединен к базе второго, из схемы следует, что ,, тогда, откуда коэффициент передачи тока базы, т.е.- величина коэффициента усиления составного транзистора может достигать нескольких тысяч.

Транзистор VT2 выбирают более мощным, чтобы его номинальный ток базы был равен номинальному току эмиттера VT1.

Сопротивление базы составного транзистора r_Б = r_Б1 равно сопротивлению базы VT1.

Сопротивление эмиттера определяется по формуле:

,

сопротивление коллектор-эмиттер определяется .

Результирующий сквозной ток коллектора составного транзистора определяется суммой трех составляющих:

J_кос= J_кос1+ J_кос2+ J_кос1В₂= J_кос2+(1+В₂) J_кос1.

Частотная зависимость коэффициента передачи тока составного транзистора определяется частотными свойствами обоих транзисторов.

В схеме ОБ граничная частота ω_грБ составного транзистора близка к граничной частоте более высокочастотного транзистора.

В схеме ОЭ ω_грЭ составного транзистора не превышает граничную частоту более низкочастотного транзистора.

Если ω_грЭ2 = Кω_грЭ1, где К >> 1, то граничная частота составного транзистора .

Современная промышленность выпускает специальные транзисторы Дарлинтонга (составной транзистор – два в одном корпусе).

Рис. 8.36

Кроме транзисторов в схему включены диоды VD1 – ускоряющий, для повышения быстродействия, VD2 – защитный, для защиты возможных перенапряжений. R₁ и R₂ – резисторы для согласования (шунтирующие).

8.21. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

1. Распределение по частоте и мощности.

2. Структура p-n-p, n-p-n.

3. Параметры:

U_бэнас, U_КБдоп(U_КЭ), J_Кmax, J_б, β(или α), r_б, С_КП, ,

f_h21Б, f_h21Э – предельные частоты коэффициента передачи по току,

U_КЭнас, r_КЭнас, r_бэ, τ_р, τ_с, τ_ф.

Для выбора первоначального:

1. Структура p-n-p или n-p-n – в зависимости от полярности питания.

2. Частотный диапазон U_КБдоп(U_КЭдоп) – в зависимости от величины напряжения питания.

3. J_Кmax – величина нагрузки.

4. U_бэ – β и т.д.

Наиболее распространенные маломощные – КТ315, КТ361, КТ208, КТ3107, КТ3102. Средней мощности – КТ630(n-p-n)(КТ503, КТ502), КТ644(p-n-p). Большой мощности – КТ814, КТ815, КТ816, КТ817, КТ818, КТ819, КТ940А, КТ812(высоковольтные), КТ972(Дарлинтонга). Составные КТ827(h₂₁ 750 18000U_КЗ-100В). Сборки транзисторные 1НТ251(n-p-n – четыре транзистора), 2ТС622(p-n-p – четыре транзистора).

8.22. ДРЕЙФОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Одновременное уменьшение величин W, r_Б, C_К при сохранении перехода обеспечивается в дрейфовых транзисторах. В дрейфовых транзисторах перенос носителей заряда через базу осуществляется в основном за счет дрейфа в электрическом поле.

База таких транзисторов характеризуется неравномерным распределением примесей, причем концентрация примесей понижается от Э к К. Неравномерная концентрация примесей в базовой области создает электрическое поле, ускоряющее движение неосновных носителей от Э к К.

Концентрация примесей в эмиттере N_аэ ≈ 10¹⁹ см^-3, граничная концентрация донорных примесей в Б N_g(0) ≈ 10¹⁷ см^-3. Поэтому эмиттерный переход получается очень узкий (резкий – скачкообразный).

Рис. 8.37

В тонкой базе, толщина которой в несколько раз меньше, чем у обычных транзисторов, концентрация примесей понижается до величины 10¹⁵ см^-3 у коллекторного перехода.

Коллекторный переход получается плавным и довольно широким, т.к. концентрация примесей низка.

Наличие собственного электрического поля в базе приводит к тому, что наряду с диффузионным в базе наблюдается и дрейфовое движение инжектированных эмиттером носителей.

При низких уровнях инжекции j < 1 преобладает дрейф неосновных носителей и распределение их концентрации в базе почти равномерное.

В случае высокого уровня инжекции j ≈ 1 доминирует диффузионное движение, т.к. концентрация неосновных носителей в базе высока. Закон распределения неосновных носителей в базе при этом линейный как в обычном транзисторе. Дрейфовые транзисторы работают при j < 1. Таким образом в дрейфовых транзисторах наряду с диффузионным имеет место дрейфовое движение неосновных носителей.

Время дрейфа τ_др меньше времени диффузии для S_i в 35 раз. За счет этого сокращается время пребывания носителей в базе, а следовательно улучшаются частотные параметры транзистора.

Для сравнения параметров двух видов транзисторов используют коэффициент поля он определяет отношения времени пролета дырок за счет диффузии и времени пролета за счет дрейфа (η ≈ 1,54).

При оценке высокочастотных свойств дрейфовых транзисторов пользуются результирующим временем пролета носителей через базу (за счет диффузии и дрейфа).

8.23. МАРКИРОВКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

В соответствии с классификационной системой введенной в 1963 году полупроводниковым приборам присваивают обозначение из четырех элементов.

Первый элемент – буква или цифра обозначает исходный материал полупроводника Г или 1 – германий, К или 2 – кремний.

Второй элемент – буква, указывающая класс и группу приборов.

Д – выпрямительные, универсальные импульсные диоды.

Т – транзисторы, П – полевые транзисторы.

В – варикапы.

А – свехвысокочастотные диоды.

Ф – фотоприборы.

Н – неуправляемые многослойные переключатели (динисторы).

У – тиристоры.

И – тунельные диоды.

С – стабилитроны.

Ц – выпрямительные столбы блоки.

Третий элемент – число, указывающее назначение или электрические свойства приборов. Для транзисторов: 0199 – германиевые, маломощные, НЧ.

Маломощные 101-199(НЧ); 201-299(СЧ); 301-399(ВЧ).

Средней мощности: 401-499(НЧ); 501-599(СЧ); 601-699(ВЧ).

Большой мощности: 701-799(НЧ); 801-899(СЧ); 901-999(ВЧ).

Четвертый элемент – буква, указывает подтип прибора (модификация по параметрам).

Пример: ГТ105А; 2У201В; КД503А.

9. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор – это полупроводниковый электропреобразовательный прибор, свойства которого определяются потоком основных носителей заряда в проводящем канале, управляемом электрическим полем.

Электрическое поле, воздействующее на канал создается с помощью изолированного электрода, называемого затвор. Два других электрода называют исток и сток.

В зависимости от способа изоляции затвора различают:

1. Полевые транзисторы с управляющим переходом: (p-n переход, переход Шоттки, гетеропереход).

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором: (с индуци- рованным каналом, со встроенным каналом). МДП, МОП технология.

Полевые транзисторы различают также по типу проводимости канала:

- транзисторы с каналом р-типа,

- транзисторы с каналом n-типа (рис.1).

Рис. 9.1 Тип каналов полевых транзисторов.

В обозначении полевых транзисторов присутствует буква П. Например, 2П103, КП303.