Эмиттер (Э) – это область с высокой концентрацией положительных носителей заряда-дырок, база (Б) - тонкая область между эмиттером и коллектором (К). Переход, который образуется на границе областей эмиттер-база, называют эмиттерным, а на границе база-коллектор – коллекторным. Площадь коллекторного перехода в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.
Классификация БТ производится по материалу полупроводника (германиевые, кремниевые, на основе арсенида галлия), по порядку следования областей (рпр и прп – транзисторы), по механизму движения неосновных носителей заряда в базе (дрейфовые и диффузионные), по мощности (малой, средней и большой) и по частоте (низкой, средней, высокой и сверхвысокой частоты).
Принцип действия транзистора рассмотрим на примере БТ рпр типа. С приложением к эмиттерно - базовому переходу прямого напряжения Uэ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Ввиду того, что эмиттер легирован много сильнее базы, поток инжектированных дырок будет намного превышать поток электронов. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться к коллекторному переходу и почти все дырки (за исключением успевших рекомбинировать в тонком базовом промежутке) достигнут коллектора. Возникающий при этом коллекторный ток Iк лишь немного меньше тока эмиттера Iэ. Поскольку дырки в области базы являются неосновными носителями заряда часто говорят, транзистор работает на неосновных носителях заряда, кроме того, наличие двух источников смещения переходов объясняет происхождение термина «биполярный». Т.к. коллекторный переход смещён в обратном направлении, то его сопротивление на несколько порядков выше сопротивления эмиттерного перехода. При включении в цепь коллектора нагрузочного сопротивления Rн относительно малое изменение напряжения на эмиттере будет вызывать большое изменение напряжения на сопротивлении нагрузки. Таким образом, в результате различия входного и выходного напряжений транзистор даёт усиление по мощности. В зависимости от сочетаний величин и полярности напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах транзистор может работать в области отсечки, активной области и области насыщения. Область отсечки характеризуется обратным смещением на обоих переходах, активная область – прямым смещением на одном переходе и обратным на другом; область насыщения – прямым смещением на обоих переходах. Кроме того, при различном сочетании напряжений, транзистор может работать в прямом (нормальном) и в обратном (инверсном) включениях. В последнем случае эмиттер служит коллектором, а коллектор – эмиттером. В режиме усиления при малых сигналах транзистор работает только в активной области, а при больших сигналах – в области отсечки и в активной области. В режиме переключения транзистор работает во всех трёх областях – активной, отсечки и насыщения.
В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) рис.18
Рис. 18. Основные схемы включения транзистора
а) ОБ; б) ОЭ; в) ОК.
Для схемы с ОБ входной ток – Iэ, а выходной – Iк. В схеме с ОЭ входным током является ток базы, выходным – Iк, а в схеме с ОК входной ток – ток базы, а выходной – Iэ. Принцип работы транзистора для всех схем включения одинаков.
Статические характеристики транзистора представляют собой семейство входных и выходных характеристик транзистора, снятых при столь медленном изменении тока и напряжения, при котором можно пренебречь инерционностью прибора. Статические характеристики имеют различный вид для различных схем включения транзистора. На рис. 19приведены семейства входных (Iэ = f(Uэ) при Uк = const) и выходных характеристик (Iк = f(Uк) при Iэ = const) транзистора, включённого по схеме с общей базой.
Рис.19. Семейства входных (а) и
выходных (б) характеристик транзистора,
включенного по схеме с ОБ (pnp тип)
а) б)
На семействе выходных характеристик выделяют три области: I – активная область усиления транзистора; II – область отсечки; III – область насыщения. Реальные выходные характеристики отличаются от теоретических тем, что при увеличении Uк наблюдается рост Iк. Это объясняется главным образом сужением базы при расширении коллекторного перехода под действием напряжения (Uк).Кроме того, через коллекторный переход протекает тепловой ток (Iкбо) связанный с наличием неосновных носителей в области базы и коллектора, концентрация которых увеличивается примерно в два раза при повышении температуры коллекторного перехода на каждые 100С за счет термогенерации. Тепловой ток коллекторного перехода влияет на аддитивную погрешность транзисторной усилительной схемы и это влияние необходимо учитывать при проектировании усилительных схем, работающих в широком температурном диапазоне.
В показанных на рис.18 схемах включения транзисторов источники постоянных напряжений (Е) создают начальные токи в выводах транзистора (токи покоя), необходимые для обеспечения его работы в линейной области входных и выходных характеристик, источники переменных напряжений (U) создают знакопеременные приращения начальных токов, при этом, эти приращения в усилительных схемах не должны приводить к нелинейным искажениям , т.е. в этом смысле должны быть «малыми». В отличие от начального, режим работы с «малыми» сигналами называют рабочим (иногда динамическим) или режимом класса «А», этот режим используется в линейных усилителях. Если в начальном режиме рабочая точка транзистора находится на границе области отсечки (коллекторный ток может изменяться только в сторону увеличения), то говорят, что транзистор работает в классе «В», промежуточный режим называется классом «АВ». Разновидностью класса «В» является режим класса «С», когда на выходе воспроизводится лишь часть положительной полуволны входного сигнала, наконец, в режиме класса «Д» рабочая точка находится либо на границе области насыщения, либо на границе области отсечки (ключевой режим).Основными параметрами транзистора являются коэффициенты передачи токов:
· α =Iк/Iэ -коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор, меньше единицы за счёт рекомбинации части носителей в базе (базового тока), примерный диапазон значений: 0,9 – 0,99 в зависимости от типа транзистора,
· β = Iк/Iб - коэффициент передачи базового тока в коллектор, примерный диапазон значений 10 – 1000 в зависимости от типа транзистора,
Поскольку из принципа работы транзистора следует, что:Iэ = Iк +Iб, то легко показать взаимосвязь указанных коэффициентов: α = β/( β +1), β = α/(1- α),
1- α =1/(1+ β), кроме того очевидно, что Iэ/Iб = β +1.
Величины указанных коэффициентов даже в пределах одной группы транзисторов зависят от технологического разброса, температуры окружающей среды, частоты сигнала, величины коллекторного тока, обычно в расчетах используются средние значения с последующей корректировкой схемотехники с целью уменьшения погрешностей.
Условные графические обозначения транзисторов двух основных типов показаны на рис.20 , в схемах УГО сопровождается буквенным обозначением транзистора «VT», в перечне элементов к электрической принципиальной схеме буквами «КТ»,например, КТ315.
С целью увеличения коэффициента усиления базового тока довольно часто применяется так называемый составной транзистор (схема Дарлингтона),показанный на рис.21
Из приведенной схемы вытекает ряд очевид- ных соотношений: Iк=Iвых=Iк1+Iк2 Iк1=Iб1*β1 Iк2=Iэ1* β2=Iб1*( β1+1)* β2 Iк1=Iб1*( β1+ β2+ β1* β2) Кi=Iвых/Iвх=( β1+ β2+ β1* β2)≈ β1* β2, здесь Кi-результирующий коэффициент усиления входного тока много больший такового для одного из транзисторовРис.21
Схема Дарлингтона
В расчетах электрических схем с транзисторами используют эквивалентные схемы замещения транзистора двух типов: физические, основанные на физической модели транзистора и формализованные, основанные на замене транзистора активным 4х-полюсником.Следует отметить, что схемы замещения составляются только для переменных составляющих токов и напряжений, действующих в транзисторе, т.е. для рабочего режима, при этом имеются в виду малые сигналы в смысле указанном выше. На рис.22 приведена для примера простейшая физическая эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме ОЭ, источники постоянного напряжения считаются закороченными по переменному току и на схеме не показываются (действительно, источники питания электронных схем содержат на выходе фильтрующие конденсаторы большой ёмкости, реактивное сопротивление которых по переменному току весьма мало).
Рис.22
Физическая схема замещения транзистора
в схеме с общим эмиттером
rб – сопротивление области базы,
rэ – сопротивление базо – эмиттерного перехода ,
rк* = rк/ (b+1) – сопротивление коллекторного перехода для схемы ОЭ,
rк то же для схемы ОБ,
b iб – эквивалентный генератор коллекторного тока,
Uвх = Uбэ , Uвых = U кэ - переменные входное и выходное напряжения,
iб, iэ, iк – переменные токи в выводах транзистора
Пользуясь приведенной схемой можно найти ряд параметров транзистора:
приведенное уравнение справедливо, поскольку очевидно, что rк*» rб, rэ и ответвлением входного тока в выходную цепь можно пренебречь. Коэффициент передачи базового тока в коллектор в данном случае равен:
Пользуясь теоремой об эквивалентном генераторе, можно найти выходное сопротивление:
Достоинством данной эквивалентной схемы является её наглядность, т.к.она отражает внутреннюю структуру транзистора, однако, практическое измерение приведенных на схеме параметров затруднительно. Этот недостаток восполняется при использовании эквивалентной схемы замещения формализованного типа. Приведем пример замещения транзистора активным 4х-полюсником (рис.23)
Рис.23
Схема замещения
4х-полюсником
Для транзисторов чаще всего используются h-параметры,наиболее удобные для измерений.Система уравнений,связывающая напряжения и токи с h-параметрами имеет вид:
Физический смысл h-параметров: h11 = u1/i1 – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе; h12 = u1/u2 - коэффициент обратной связи по напряжению; h21 = i2/i1- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе; h22 = i2/u2 - выходная проводимость при холостом ходе на входе. Таким образом, очевидна методика измерения h-параметров, для различных схем включения транзисторов (ОБ,ОЭ,ОК) существуют формулы,связывающие h-параметры с параметрами физической модели транзистора, например,для рассматриваемого случая очевидны соотношения:
Полевые транзисторы представляют собой класс полупроводниковых приборов, в которых величина выходного тока изменяется под действием электрического по- ля ,создаваемого входным напряжением, благодаря чему полевые транзисторы имеют очень высокое (1-10МОМ) входное сопротивление. Указанное обстоятельство является главным достоинством этих приборов, что подчёркивается в их названии. Различают два подкласса полевых транзисторов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура).
В полевых транзисторах первого типа управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к входному электроду. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом состоит из тонкой пластинки полупроводникового материала с одним р-п переходом в центральной части и с невыпрямляющими контактами по краям (рис. 24).
Из приведенной схемы вытекает ряд очевид-
