Полупроводники

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

На интервале 0Kp ЭДС e2 будет иметь полярность,

прямую по отношению к вентилюVD ,

вентиль открыт и в цепи нагрузки протекает ток.

На интервале pK2p ЭДС e2 имеет противоположную полярность, вентиль VD закрыт и ток

нагрузки равен нулю.

Тогда мгновенное значение выпрямленного напряжения (рис. 2.23, в):

ud

0Kπ =

E2 sin θ,

ud

pK2π = 0 .

2

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

1

2p

1

2π

E

2

òud dθ =

ò

2

Ud =

2E2 sin θdθ =

= 0,45E2.

(2.6)

2π

2π

π

0

0

id

Мгновенное значение выпрямленного тока

i

d

= i

=

(рис. 2.23, г).

2

Rd

Постоянная составляющая выпрямленного тока Id =

Ud

.

Rd

Для данной схемы выпрямления среднее значение анодного тока вентиля Iа ср = Id .

E2

= I

Максимальное значение анодного тока i

=

2

d

π .

(2.7)

а max

R2

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле

U обр max =

2

E2 = U d π .

(2.8)

Спектр выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

ud (q )=

2E2

+

2E2

sin(q )-

2

2E2

cos(2q )-

2 2E2

cos(4q )-K .

(2.9)

2

p

3p

15p

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей(основной) гармоники

пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения равен:

Uпульс max 01

E

E

p

2

2

2

Kп =

=

¸

2

=

=1,57 .

(2.10)

Ud

2

2

p

Как видно, однополупериодная схема выпрямления имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

Расчетная мощность трансформатора Т:

P + P

P

=

1

2

,

(2.11)

расч

2

где P и P

– расчетная мощность первичной и вторичной обмотки.

1

2

Действующее значение тока вторичной обмотки

1

2π

p

I2 =

ò

i22dθ = I d

.

(2.12)

2π

2

P =

E I

0

Тогда

2

может

быть

получена

подстановкойI

из

выражения(2.12), а

E

2

из

2

2

2

выражения (2.6):

Ed p

p

P

=

I

d

= 3,49P ,

(2.13)

2

2

2

d

где Pd = Ud Id – мощность нагрузки.

трансформатораP

= E I

E и

I –

Мощность

первичной

обмотки

,

где

действующие

1

1 1

1

1

значения

ЭДС

и

тока первичной

обмотки

трансформатора; E

находится

какE

= E

2

k

тр

,

где

1

1

k

тр

=

w1

– коэффициент трансформации;

w

и w

– число витков первичной и вторичной обмоток

w2

1

2

трансформатора.

41

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

	I =	1	2π	i2dq ,	(2.14)
			ò
	1	2π	0	1

где i1 – мгновенное значение первичного тока.

Из условия равенства намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток трансформатора

Находим i1 :

i1w1 + (i2 - Id )w2 = 0 .

(2.15)

w2

1

i = -

(i

2

- I

d

)= -

(i

2

- I

d

).

(2.16)

1

w1

kтр

Поскольку i2 протекает во вторичной обмотке трансформатора только на интервале от 0 до p ,

а на интервале pK2p он равен 0, то

ì

I

d

(1 - πsinq),

i

=

ï

1

0Kπ

kтр

ï

(2.17)

í

I d

ïi

πK2π

=

.

ï

1

k

î

тр

Графическое изображение этой функции представлено на рис. 2.23, е. Оно является зеркальным отображением функции ( i2 - Id ) (рис. 2.23, д), но масштабы их отличаются вkтр раз. Подставляя

значения (2.17) в выражение (2.14), получаем действующее значение первичного тока:

		I	1		=1,21			I d	.	(2.18)
								kтр
Мощность первичной обмотки трансформатора
	P		= E I 2,69P .							(2.19).
		1				1 1			d
Подставляя (2.19) и (2.13) в (2.11), получаем расчетную мощность трансформатора:
				P		+ P
P		=			1	2	= 3,06P .			(2.20)
расч						2			d

2.10.2. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой

Эта схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку Rd и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС (рис. 2.24, а) e2a и e2b .

Для создания этих ЭДС в схеме является обязательным наличие трансформатора T с двумя полуобмотками на вторичной стороне, имеющими среднюю точку.

На рис. 2.24, б, в, г, д представлены временные диаграммы для двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой.

В случае чисто активной нагрузки и с учетом допущений (п. 2.10.1) для рассматриваемой схемы имеют место следующие основные соотношения:

1

π

2

E

U

E

2

2

ò

2

2

Ud =

2E2 sin θdθ =

;

Id =

d

;

iпр max =

;

π

π

R

R

0

d

d

I d

Iпр ср

=

;

U обр max = 2

E2 ; kп = 0,66 .

(2.21)

2

2

1

Поскольку мгновенное

значение

первичного

тока

i

=

(i

- i

), то

очевидно, что он

1

kтр

a2

a1

представляет собой синусоиду, и следовательно,

I =

kф

I

d

, где

k

=1,11 – коэффициент формы для

1

kтр

ф

синусоиды.

42

	А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций
							e2	e2a	e2b
	T		VD1					p	2p	3p
										q
i1			e2a				ud
				id
u1			Rd						U d
			ud							q
							id
			e2b					Id
			VD2
										q
							i1
										q
Рис. 2.24. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
Мощности трансформатора
			P2 = 2E2I2 =1,74Pd ;							(2.22)
				P = E I			=1,23P	;		(2.23)
				1		1 1	d
			P		=	P + P				(2.24)
						1	2 =1,48P .
			расч				2	d
			2.10.3. Однофазная мостовая схема
Схема представляет собой мост из вентилей VD1 -VD4 (рис. 2. 25, а),										в одну диагональ ко-
торого включена нагрузка, а в другую – переменное напряжение e2 . В положительном полупериоде
							e2
								p	2p	3p
i1	T		VD4	VD1						q
u		e2	VD3	VD2			ud
1									Ud
			R	id						q
			d				ia1 - ia3 ia 2 - ia 4 ia1 - ia3
			ud				id	Id
Рис. 2.25. Однофазный мостовой выпрямитель										q
открыты вентили VD1 -VD3 , в отрицательном – VD2 -VD4 . Ток в нагрузке протекает в одном и том
же направлении в течение обоих полупериодов, поэтому эта схема, так же как и предыдущая, относит-
ся к двухполупериодным схемам выпрямления.

43

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

Силовой трансформатор здесь не является принципиально необходимым и нужен только для соз-

дания требуемой величины напряженияe2

на

входе

выпрямителя, соответствующего

заданной

чине выпрямленного напряженияUd , а также для обеспечения гальванической развязки между

тающей сетью и нагрузкой выпрямителя.

На рис. 2.25, б, в, г, д представлены временные диаграммы для однофазной мостовой схемы вы-

прямителя.

Для этой схемы выпрямителя при условии допущений п. 2.10.1 справедливы следующие соотно-

шения:

1 p

2

2E

Ud = p ò

2E2 sin qdq =

p

2 = 0,9E2 ,

(2.25)

0

= Ud ,

Id

(2.26)

Rd

i

=

2E2 ,

(2.27)

пр max

Rd

iпр ср = Id

,

(2.28)

2

Uобр max =

2E2 ,

(2.29)

kп = 0,66 ,

(2.30)

i2

=

2E2 sin θ ,

(2.31)

Rd

i

=

1

i ,

(2.32)

1

kтр

2

P

= E I

=

1,23P ,

(2.33)

1

1 1

d

P2 = E2I2 =1,23Pd ,

(2.34)

P

=

P + P

(2.35)

1

2 =1,23P .

расч

2

d

Аналогичным образом строятся более сложные схемы многофазных выпрямителей.

2.10.5. Параметрический стабилизатор напряжения

Как уже отмечалось выше, применение стабилитронов связано с особенностью обратной ветви

их вольт-амперной характеристики изменяться

в большом диапазоне обратных токов

незначительном изменении напряжения на участке пробоя. Это свойство стабилитронов широко

используется в устройствах, называемых стабилизаторами напряжения.

Таким простейшим устройством является параметрический стабилизатор постоянного напряже-

ния (рис. 2.26). При увеличении входного напряжения Uвх

от нуля пропорционально возрастает на-

пряжение на нагрузке Uвых .

Когда входное напряжение достигнет напряжения пробоя стабилитро-

на, он открывается и в его цепи появляется ток

Iст . Дальнейшее увеличение входного напряже-

Rб

I

ния приведёт лишь к увеличению тока стабили-

-

трона, а напряжение на нём,

а,

следовательно,

Uвх

I

VD

R

Uн

и

напряжение

на нагрузке Uвых

будут

теперь

ст

I

н

оставаться почти неизменными, а разница между

н

+

входным

напряжением

и

выходным

будет

падать на балластном сопротивлении Rб .

Рис. 2.26. Параметрический стабилизатор напряжения

44

и Uвых min

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

На рис. 2.27

представлены:

Rб + (VD + Rн )

вольт-амперная

характеристика

U

стабилитрона

(VD ),

вольт-

Uвх max

амперная

характеристика

сопро-

тивления

нагрузки ( Rн ),

их

ре-

DUвх

зультирующая

вольт-амперная Uвх ном

Rб

характеристика ( R

+VD ),

вольт-

н

амперная

характеристика

балла-

Rн

стного сопротивления ( Rб ) и, на-

Uвх min

конец, суммарная вольт-амперная

характеристика всего устройства.

Поскольку

максимальное

DUвых

VD

значение тока стабилитрона огра-

Uвых max

VD + Rн

ничено его допустимым нагревом

Uвых min

на уровне Iст max ,

то максималь-

ное значение входного напряже-

ния

ограничено

величиной

Uвх max .

Минимальное

значение

Iст min

Iст ном

Iст max I

входного

напряжения,

очевидно,

ограничено

напряжением

пробоя

Рис. 2.27. Стабилизация напряжения

стабилитрона Uпроб . Тогда

за

номинальное значение входного напряжения Uвх н

следует принять середину участка между Uвх max и

Uвых min .

По вольт-амперной характеристике находим, соответственно, Uвых max , а середина между ними соответствует Uвых н . Очевидно, что при отклонении входного напряжения на DUвх , выходное напряжение изменится на значительно меньшую величину DUвых , т.е. имеет место стабилизация напряжения. Качество стабилизатора напряжения оценивается коэффициентом стабилизации kст :

kст =

DUвх

:

DUвых

=

Uвых н

×

DUвх

= l

DUвх

.

(2.36)

Uвых н

DU вых

Uвх н

U вх н

DU вых

Можно показать, что kст » l

Rб

, т.е. коэффициент стабилизации параметрического стабилизато-

Rн

ра в основном определяется соотношением сопротивления балластного резистора Rб и сопротивления нагрузки Rн .

Контрольные вопросы

1.Что называется полупроводниковым диодом?

2.Какая область полупроводникового диода называется эмиттером?

3.Какая область полупроводникового диода называется базой?

4.Напишите уравнение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода?

5.Как влияет повышение температуры на прямую ветвь вольт-амперной характеристики полупроводникового диода?

6.Перечислите и объясните отличия в свойствах и параметрах кремниевых и германиевых выпрямительных диодов.

7.Какие процессы происходят в базе диода в импульсном режиме работы?

8.Что такое стабилитрон?

9.Что такое туннельный диод?

10.Что такое обращенный диод?

11.Почему в варикапах используется только барьерная ёмкость и не используется диффузионная

ёмкость?

12.Что такое выпрямитель?

45

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

13.Поясните принцип действия однофазного однополупериодного выпрямителя.

14.Поясните принцип действия однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней

точкой.

15.Поясните принцип действия однофазного мостового выпрямителя.

16.Что такое стабилизатор напряжения?

3.БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

3.1. Структура и основные режимы работы

Биполярный транзистор (обычно его называют просто транзистором) – это полупроводниковый прибор с двумя или более взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов.

Транзистор (полупроводниковый триод) был создан американскими учеными Дж. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли в 1948 году. Это событие имело громадное значение для полупроводниковой электроники. Транзисторы могут работать при значительно меньших напряжениях, чем ламповые триоды, и не являются простыми заменителями последних, а их можно использовать помимо усиления и генерирования сигналов переменного тока в качестве ключевых элементов. Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда, как электроны, так и дырки.

Структура биполярного транзистора изображена нарис. 3.1. Он представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы три области с чередующимися типами электропроводности. На границах этих областей возникают электронно-дырочные переходы. От каждой области полупроводника сделаны токоотводы(омические контакты).

ЭП

КП

Среднюю область транзистора, расположенную между

p

n

p

электронно-дырочными переходами, называют базой (Б).

Э

К

Примыкающие к базе области обычно делают неодина-

ковыми. Одну из областей делают так, чтобы из неё наи-

более эффективно проходила инжекция носителей заряда

в базу, а другую – так, чтобы p–n-переход между базой и

Б

этой областью наилучшим образом собирал инжектиро-

ванные в базу носители заряда, то есть осуществлял экс-

Схематическое изображение структуры

Рис. 3.1.

тракцию носителей заряда из базы.

биполярного транзистора

Область транзистора, основным назначением кото-

рой является инжекция носителей заряда в базу, называют эмиттером (Э), а p–n-переход между базой и эмиттером – эмиттерным (ЭП). Область транзистора, основным назначением которой является собирание, экстракция носителей заряда из базы, называют коллектором (К), а p–n-переход между базой и коллектором – коллекторным (КП). В зависимости от типа электропроводности крайних слоев (эмиттера и коллектора) различают транзисторы p–n–p и n–p–n типа. В обоих типах транзисторов фи-

зические процессы аналогичны, они различаются только типом инжектируемых и экстрагируемых носителей и имеют одинаково широкое применение.

На принципиальных электрических схемах транзисторы изображают условными графическими обозначениями, представленными на рис. 3.2.

Э	К	Э	К
Б			Б

Рис. 3.2. Условные обозначения транзисторов: транзистор p–n–p типа (а); транзистор n–p–n типа (б)

Конструктивно биполярные транзисторы оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах (рис. 3.3, а).

При работе транзистора к его электродам прикладываются напряжения от внешних источников питания. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, каждый из p–n-переходов может быть смещен в прямом или в обратном направлении, исходя из этого, возможны четыре режима работы транзистора (табл. 3.1).

46

		А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций
		а
			p	Ge	p	Вывод
		Вывод				коллектора
				n
		эмиттера	In		In
		Ni		W		Ni
		Эмиттерный				Коллекторный
		переход				переход
		Эмиттер		База		Коллектор
Э	Б	К		Вывод базы
		б
Рис. 3.3. Общий вид (а) и конструктивное оформление одного из биполярных транзисторов (б)
		Режимы работы биполярного транзистора				Таблица 3.1.

	Эмиттерный переход	Коллекторный переход	Режим работы
			транзистора
	прямое	обратное	активный
			(усилительный)
	прямое	прямое	насыщения
	обратное	обратное	отсечки
	обратное	прямое	инверсный

Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на коллекторном переходе напряжение обратное, и он собирает носители из базы, то такое включение тран-

зистора называют нормальным, а транзистор работает в активном (усилительном) режиме.

Врежиме насыщения оба p–n-перехода включены в прямом направлении, переходы насыщены подвижными носителями заряда, их сопротивления малы.

Врежиме отсечки оба p–n-перехода включены в обратном направлении. В электродах транзистора протекают тепловые токи обратновключенных переходов.

Если же на коллекторном переходе напряжение прямое, и он инжектирует носители в базу, а на эмиттерном переходе напряжение обратное, и он осуществляет экстракцию носителей из базы, то такое включение транзистора называют инверсным, а транзистор работает в инверсном режиме.

При инверсном включении транзистора необходимо учитывать следующие особенности:

1.Поскольку эмиттерный переход по площади меньше, чем коллекторный, то из того количества носителей, которые инжектируются коллекторным переходом, меньшее количество собирается эмиттерным переходом, что снижает величину тока этого перехода.

2.Это приводит к изменению заряда носителей в базе и, следовательно, к изменению барьерной ёмкости переходов, т.е. к изменению частотных свойств транзистора.

3.При меньшей площади эмиттерного перехода необходимо снижать величину его тока, чтобы оставить прежней температуру нагрева полупроводниковой структуры.

3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе

Физические процессы в биполярном транзисторе при усилении электрических сигналов -рас смотрим на примере рис. 3.4. К транзистору подключают два источника ЭДС: E1 – ЭДС источника

47

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

Iэ p ЭП

W

КП aIэ p

входного

сигнала, и E2 –

ЭДС ис-

точника

питания (мощного

Э

p

n

p

К

ка). ЭДС E1 подключается так, чтобы

эмиттерный переход был смещен в

Iэ

Iк

прямом

направлении,

а

ЭДС E2

должна смещать коллектор-ный пере-

ход в обратном направле-нии. Тогда

Iэ n

Б

Iкбо

Rн

при отсутствии тока в цепи источника

входного

сигнала (во

входной

цепи

+

Iб рек

I

б

+

транзистора) нет тока и в цепи источ-

-

-

ника питания (в выходной цепи).

Строго говоря, в выходной цепи бу-

E1

E2

дет протекать очень маленький ток –

обратный

ток

закрытого

коллектор-

Рис. 3.4. Движение носителей заряда и токи в биполярном транзисторе

ного перехода Iкбо , но им ввиду его

при активном режиме работы

малости можно пренебречь. Если же

во входной цепи транзистора создать под действием источника E1 какой-то ток Iэ , то дырки, являю-

щиеся основными носителями вр-области эмиттера будут инжектироваться в область базы, где они

становятся уже неосновными носителями. Те из них, которые попадают в зону действия электрическо-

го поля коллекторного перехода, будут испытывать со стороны этого поля ускоряющее, притягиваю-

щее действие и будут переброшены через границу раздела в область коллектора(область р-типа), где

дырки уже являются основными носителями. Таким образом, в цепи источника питания появится ток –

ток коллектора Iк , который, протекая по сопротивлению нагрузки Rн , создает там падение напряже-

ния:

U = Iк Rн ,

(3.1)

которое является выходным сигналом усилителя и в точности повторяет все изменения входного сиг-

нала.

Отметим, что не все носители, инжектированные из эмиттера в базу, достигают коллекторного

перехода; часть из них рекомбинирует в базе по пути движения от эмиттерного перехода к коллектор-

ному – ток Iб рек . Поэтому ток коллектора Iк

принципиально меньше тока эмиттера Iэ .

Отношение этих токов характеризует коэффициент передачи по току:

a =	Iк	.	(3.2)
	Iэ

Чтобы увеличить коэффициент передачи по току область базы делают тонкой, чтобы меньшее количество носителей рекомбинировало в ней, и, кроме того, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы. Таким образом, удается достичь величины коэффициента передачи по току a = 0,95K0,99 и более.

Несмотря на то, что в рассмотренной схеме усиления по току нет ( a <1 ), все же коэффициент передачи по мощности может быть значительно больше единицы за счет большого усиления пона пряжению. Ведь даже при малой величине коллекторного тока Iк падение напряжения на сопротивле-

нии нагрузки Iк Rк может быть значительным, за счет большой величины напряжения источника питания.

Отметим, что в транзисторах n–p–n-типа все описанные процессы протекают точно так же, но полярность источников E1 и E2 должна быть противоположной, а из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны, и электроны же будут образовывать коллекторный ток в цепи источника E2 .

Следует отметить, что в процессе усиления электрического сигнала в транзисторе происходит изменение ширины базового слоя W , так как под действием внешних источников E1 и E2 толщина p– n-переходов изменяется, что в условиях малой ширины базового слоя происходит ее модуляция(данное явление получило название эффект Эрли). Это приводит к ряду особенностей:

1. Чем уже становится база, тем меньшее количество инжектированных носителей будет рекомбинировать в ней и, следовательно, большее количество их достигнет коллекторного перехода и

48

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

будет участвовать в образовании тока коллектораIк . Это приведет к изменению коэффициента передачи по току a .

2. Изменение тока Iк при I э= const приводит к зависимости Iк от E2 , т.е. к изменению сопротивления коллекторного перехода.

3.Поскольку при этом меняется заряд носителей в базе, то это приводит к изменению емкости p–n-перехода.

4.Изменение ширины базового слоя приводит к изменению времени прохождения зарядами базовой области, т.е. к изменению частотных свойств транзистора.

5.Изменение ширины базы влияет на величину тока I э при неизменном значении E1 .

Как крайнюю степень проявления модуляции ширины базы следует рассматривать явление, называемое проколом базы. Прокол базы наступает тогда, когда под действием большого значения ЭДС источника питания E2 ширина коллекторного перехода возрастает настолько, что происходит его смыкание с эмиттерным переходом, что весьма вероятно в условиях малой толщины базовой области . При этом a =1 , а транзистор пробивается.

Основные параметры биполярных транзисторов:

1. Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока:

h21э

=

dIк

Uкэ = const

; h21б =

dI

к

.

dIб

dIб

Uкб = const

2. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (единицы – десятки Ом)

rэ диф =

dUэб

.

dIб

Uкэ = const

3. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении (единицы нано-

ампер – десятки миллиампер)

Iкбо = Iк

Iэ =

;

Uкб < 0 .

0

4. Объемное сопротивление базы rб¢

(десятки – сотни Ом).

5. Выходная проводимость h22 или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

(доли – сотни мкСм)

rк диф =

1

=

dUкб

;

rк диф =

1

=

dUкб

IЭ = const

.

h22э

dIк

h22б

dIк

Iб = const

6. Максимально допустимый ток коллектора Iк max (сотни миллиампер – десятки ампер). 7. Напряжение насыщения коллектор – эмиттер Uкэ нас (десятые доли – один вольт).

8. Наибольшая мощность рассеяния коллектором Pк max (милливатт – десятки ватт). 9. Ёмкость коллекторного перехода Cк (единицы – десятки пикофарад).

Выводы:

1.При прямом напряжении, приложенном к эмиттерному переходу, потенциальный барьер понижается, и в базу инжектируются носители заряда.

2.Инжектированные в базу неосновные носители заряда диффундируют в сторону коллекторного перехода.

3.Вследствие того, что ширина базы транзистора мала и концентрация основных носителей заряда в ней низкая, почти все инжектированные в базу неосновные носители заряда достигают коллекторного перехода и перебрасываются полем потенциального барьера в коллектор, образуя управляемый ток коллектора.

4.Небольшая часть инжектированных носителей заряда успевает рекомбинировать в базе, образуя рекомбинированную составляющую тока эмиттера, которая замыкается через цепь базы.

5.Через цепь базы замыкается также небольшая составляющая тока эмиттера, образованная диффузией неосновных носителей заряда из базы в эмиттер, и обратный ток коллекторного перехода.

49

А.В. Глазачев, В.П. Петрович. Физические основы электроники. Конспект лекций

3.3. Схемы включения транзистора

Как было рассмотрено на примере, для усиления электрического сигнала в цепь транзистора необходимо включить два источника– входного сигнала E1 и питания E2 . Поскольку транзистор

имеет три вывода(эмиттер, база, коллектор), а два источника питания имеют четыре вывода, то обязательно один из выводов транзистора будет общим для обоих источников, т.е. одновременно будет принадлежать и входной цепи и выходной. По этому признаку различают три возможных схемы включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

									3.3.1. Схема с общей базой
		Рассмотренный выше пример построения усилителя электрических сигналов								с помощью
транзистора						является схемой включения с общей базой. На рис. 3.5 приведена электрическая
принципиальная схема включения транзистора с общей базой.
									Основные параметры, характеризующие эту	схему
			Iэ			VT	Iк		включения, получим следующим образом:
									1. Коэффициент усиления по току:

E	Rн	U	kI б = a = Iк	» 0,95 ¸ 0,99 .		(3.3)
1		вых	Iэ
Iб	E2		Индекс «б» в (3.3)	указывает	на	отношение	этого
			метра к схеме с общей базой.
			2. Входное сопротивление:

	Рис. 3.5.	Включение транзистора	R	=	E1	.	(3.4)
	по схеме	с общей базой
			вх б		Iэ

Из (3.4) следует, что входное сопротивление транзистора, включенного в схему с общей базой, очень невелико и определяется, в основном, сопротивлением эмиттерного p–n-перехода в прямом направлении. На практике оно составляет единицы– десятки Ом. Это следует отнести к недостаткам усилительного каскада, так как приводит к нагружению источника входного сигнала.

3. Коэффициент усиления по напряжению:

k	=	U вых	=	Iк Rн	=	Iк Rн	= a	Rн	.	(3.5)
U б		Uвх		E1		Iэ Rвх б		Rвх б

Коэффициент усиления по напряжению может быть достаточно большим(десятки – сотни единиц), так как определяется, в основном, соотношением между сопротивлением нагрузки Rн и вход-

ным сопротивлением.

4. Коэффициент усиления по мощности:

kP б = K I б KU б = a2	Rн	.	(3.6)
	Rвх б

Для реальных схем коэффициент усиления по мощности равняется десяткам – сотням единиц.

3.3.2.Схема с общим эмиттером

Вэтой схеме (рис. 3.6) по-прежнему источник входного сигнала E1 включен в прямом направлении по отношению к эмиттерному переходу, а источник питания E2 включен в обратном направлении по отношению к коллекторному переходу и в прямом по отношению к эмиттерному. Под действием источника входного сигнала E1 в базовой цепи протекает ток Iб ; происходит инжекция носителей из

эмиттерной области в базовую; часть из них под действием поля коллекторного перехода перебрасывается в коллекторную область, образуя, таким образом, ток в цепи коллектора Iк , который протекает под действием источника питания E2 через эмиттер и базу. Поэтому: Iэ = Iб + Iк . (3.7).

Входным током является ток базы Iб , а выходным – ток коллектора Iк . Выходным напряжением является падение напряжения на сопротивлении нагрузки Rн .

50