СПРАВОЧНИК МОЛОДОГО РАДИСТА

       

Общие сведения


Транзисторы представляют собой электропреобразовательные полупроводниковые приборы с одним или несколькими электричес­кими переходами, пригодные для усиления мощности сигнала и име­ющие три (или более) внешних вывода. Наиболее распространенные транзисторы имеют два электронно-дырочных перехода. В двухпереходных транзисторах используют два различных типа носителей за­ряда (электроны и дырки), поэтому их называют биполярными.

Основным элементом биполярного транзистора (рис. 52, а, б) яв­ляется кристалл полупроводника, в котором с помощью примесей созданы три области с различной .проводимостью.» Если средняя об­ласть имеет электронную проводимость типа n, а две крайние — ды­рочную проводимость типа р, то структура такого транзистора обо­значается р-n-р в отличие от структуры n-р-n, при которой транзис­тор имеет среднюю область с дырочной, а крайние области — с электронной проводимостями.

Средняя область кристалла полупроводника 1 (рис. 52, а), слу­жащая основой для образования электронно-дырочных переходов, называется базой, крайняя область 2, инжектирующая (эмигрирую­щая) носители заряда, — эмиттером, а область 3, собирающая ин­жектированные носители заряда, — коллектором. К каждой из двух областей припаяны соответственно эмиттерный Э, базовый Б и кол­лекторный К токоотводы, которыми транзистор включается в схему. Кристалл укрепляют на специальном кристаллодержателе и. помеща­ют в герметизированный металлический, пластмассовый или стеклян­ный корпус. Внешние токоотводы электродов проходят через изоля­торы в дне корпуса.

Рис. 52. Устройство биполярного транзистора (а) и его условное обозначение (б)

Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называ­ется эмиттерным, а между базой и коллектором — коллекторным. Базовая область транзистора выполняется с очень малой толщиной (от 1 до 10 — 20 мкм). Различна степень легирования областей. Обычно концентрация примесей в эмиттере на 2 — 3 порядка выше, чем в базе.
Степень легирования базы и коллектора зависит от типа прибора.

Для работы транзисторов к их электродам подключают посто­янные напряжения внешних источников энергии. Помимо постоянных напряжений к электродам подводят сигналы, подлежащие преобра­зованию. В связи с этим различают входную цепь, к которой подво­дят сигнал, и выходную, куда включают нагрузку, с которой снима­ют сигнал. В зависимости от того, какой из электродов при включе­нии транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают схемы с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК.



Рис. 53. Схемы включения биполярных транзисторов: а — с ОБ, б — с ОЭ, в - с ОК.

В схеме с ОБ (рис. 53, а) входной цепью является цепь эмитте­ра, а выходной — цепь коллектора, в схеме с ОЭ (рис. 53,6) вход­ной — цепь базы, а выходной — цепь коллектора, в схеме с ОК (рис. 53, в) входной — цепь базы, а выходной — цепь эмиттера.

В зависимости от полярности напряжений внешних источников, подключенных к эмиттерному и коллекторному переходам, различа­ют активный, отсечки, насыщения и инверсный режимы работы тран­зистора.

Активный режим используется при усилении слабых сигналов. В этом режиме напряжение внешнего источника к эмиттерному пе­реходу включается в прямом, а к коллекторному — в обратном на­правлении. Эмиттер инжектирует в область базы неосновные для нее носители заряда, а коллектор производит их экстракцию (выведе­ние) из базовой области.

В режиме отсечки к обоим переходам подводят обратные на­пряжения, при которых ток, проходящий через транзисторы, ничтож­но мал. »



В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся под прямым напряжением; в них происходит инжекция носителей, тран­зистор превращается в двойной диод, ток в выходной цепи макси­мален при выбранном значении нагрузки и не управляется током входной цепи; транзистор полностью открыт. В режимах отсечки и насыщения транзисторы обычно используются в схемах электронных, переключателей. .



В инверсном режиме меняются функции эмиттера и коллектора: к коллекторному переходу подключают прямое, а к эмиттерному — обратное напряжение. Однако такое включение транзистора неравноценно из-за несимметрии структуры и различия концентрации носителей в его областях.

Принцип действия транзистора в активном режиме рассмотрим с помощью схемы с ОБ (см. рис. 53,а). При включении напряжений эмиттерного EЭб и коллекторного EКб источников изменяются потен­циальные диаграммы переходов. Напряжение EЭб снижает потенци­альный барьер эмиттерного перехода, вследствие чего через него из эмиттерной области яачнется инжекция дырок в базу, а электро­нов — наоборот, из базовой области в эмиттерную. Концентрация ос­новных носителей в эмиттерной области на 2 — 3 порядка выше, чем в базе, поэтому инжекция дырок в базу Iэр превышает поток элек-. тронов Iэn из базы в эмиттер. При этом через эмиттерный переход проходит суммарный ток эмиттера Iэ=Iэр+Iэп. Убыль дырок в эмиттере компенсируется уходом из него во внешнюю цепь такого же количества электронов.

В результате повышенной концентрации дырок в базе происхо­дит их диффузионное перемещение от эмиттерного к коллекторному переходу. На этом пути часть дырок рекомбинирует с электронами базы и создает в цепи базы небольшой рекомбинационный ток Iб. Чтобы уменьшить вероятность рекомбинации дырок в базе, толщину базы (w<0,25 мм) выбирают меньше их диффузионной длины дырок (для германия L=0,3-5-0,5 мм).

Транзисторы, в которых отсутствует электрическое поле в базе, а перемещение (дрейф) носителей тока происходит за счет диффу­зии, называют бездрейфовыми, транзисторы, в которых за счет не­равномерной концентрации примесей в базе возникает электрическое поле и перемещение носителей тока через базу происходит под дей­ствием сил этого поля, — дрейфовыми.

К коллекторному переходу напряжение внешнего источника под­ключают в непроводящем (обратном) направлении. Электрическое поле, создаваемое этим источником, будет тормозящим для основ­ных и ускоряющим для неосновных носителей тока.


Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу, будучи неосновными но-сителями тока, перемещаются из базы в коллекторную область. Из­быток дырок в коллекторе компенсируется током электронов от ис­точника Eк, в результате чего во внешней цепи коллектора прохо­дит ток Iк.

Если транзистор включен в схеме усилителя, то к входным за­жимам кроме постоянного напряжения смещения Еэ подключают переменное напряжение сигнала UBXt которое нужно усилить, а к выходным зажимам кроме напряжения источника Ек — нагрузку Rн. Прямосмещенный эмиттерный переход обладает малым сопротивле­нием, поэтому,даже незначительные изменения потенциала в цепи эмиттера ua=E9+UB]i (вследствие изменений напряжения сигналу Uвх на входе) вызовут большие изменения тока. Изменения тока эмиттера приведут к изменению тока и напряжения в выходной (кол­лекторной) цепи. При соответствующем подборе нагрузки Rн мож­но получить большое изменение выходного напряжения UВых и мощ­вости, т. е. осуществить с помощью транзистора усиление сигнала за счет энергии источника Ех. Эффективность такого усиления сигнала по напряжению оценивают отношением изменения выходного на­пряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения, т. е Kн=ДUвых/АUвх.

§ 33. Характеристики и параметры

Характеристики. Статические характеристики отражают зависи­мость между токами и напряжениями во входных и выходных цепях транзистора. Свойства транзисторов в основном оценивают с помощью семейства входных и выходных характеристик, снимаемых в схеме с ОБ и ОЭ.

Входные характеристики транзистора р-n-р в схеме с ОБ (рис. 54, а) выражают зависимость тока эмиттера Iэ от его напряжения относительно базы Uss, т. е. Iэ=ф(Uэб) при Uкб=const. В активном режиме при увеличении напряжения Uэв снижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе. При этом усиливается инжекция не­основных носителей через переход и возрастает ток эмиттера.

Выходные характеристики в схеме с ОБ (рис. 54,6) представ­ляют зависимость тока коллектора Iк=ф(Uкб) при Iэ=const.


В ак­тивном режиме работы транзистора (Uко<0) значение тока в кол­ лекторной цепи определяется числом инжектированных эмиттером в базу неосновных носителей заряда. При токе в эмиттере Iэ>0 уве­личивается приток дырок в базу и их перенос к коллекторнрму пе­реходу, поэтому Iк растет. Особенностью выходных характеристик в схеме с ОБ % является слабая зависимость тока Iк от напряжения Uкб- Допустимая мощность Рк макс, рассеиваемая в коллекторной це­пи транзистора, показана на рисунке в виде параболической кривой.

Входные характеристики транзистора р-n-р в схеме в ОЭ (рис. 55, а) выражают зависимость тока базы Iб=ф(Uбэ) при UKa=const. При увеличении внешнего напряжения Uбэ уменьшается потенциаль­ный барьер в эмиттерлом переходе, возрастает инжекция дырок в базу и увеличивается концентрация дырок в базе, что вызывает рост токов Iэ и Iк. Одновременно с увеличением избыточного заряда дырок в базе больше вероятность их рекомбинации, поэтому ток базы Iб тоже возрастает.



Рис. 54. Входные (а) и выходные (б) характеристики транзисторов в схеме с общей базой

Выходные характеристики транзистора для схем с ОЭ (рис. 55, б) представляют зависимость тока коллектора Iк=ф(Uкэ) при Iб=const. В активном режиме с подачей на базу отрицательного (от­носительно эмиттера) напряжения через эмиттерный переход прохо­дит ток Iэ, обусловленный инжекцией неосновных носителей в базу. Некоторая часть этих носителей рекомбинирует и создает положительный ток базы Iб, а большая часть экстрагируется в коллектор­ную область, увеличивая ток Iк. В результате выходные характерис­тики, снятые при больших токах базы Iб, идут выше, так как им соответствуют большие значения тока коллектора. Статические ха­рактеристики используют для выбора режима работы транзисторов в усилительных, ключевых и других схемах.



Рис. 55. Входные (а) и выходные (б) характеристики транзисторов в схеме с общим эмиттером

Параметры. Транзисторы характеризуются следующими пара­метрами: постоянного тока, в режиме малого сигнала, частотными; в режиме большого сигнала и предельных режимов.



Параметра м и постоянного тока, определяющими значения неуправляемых токов через p-n-переходы транзисторов, являются следующие.

Обратный ток коллектора Iкво — ток через переход коллектор — база при разомкнутой цепи эмиттера и заданном (обычно макси­мально допустимом) напряжении на коллекторе Uкб.

Обратный ток эмиттера IЭбо — ток через переход эмиттер — база при разомкнутой цепи коллектора и заданном напряжении на эмит­тере.

Обратный ток коллектор — эмиттер 1КЭО (устаревшее название начальный ток коллектора Iк н) — ток в цепи коллектора при не­посредственно замкнутой цепи эмиттер — база и заданном напряже­нии на коллекторе UK9.

Обратный ток коллектор — эмиттер Iкэй — то же, при включении между базой и эмиттером резистора с заданным сопротивлением.

Параметры в режиме малого сигнала устанавливают связь между изменениями токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Характеристики транзисторов нелинейны, по­этому -параметры в режиме малого сигнала значительно зависят от выбора исходного режима (выбора рабочей точки).

При малом уровне сигнала транзистор удобно рассматривать как активный линейный четырехполюсник, у которого переменные токи и напряжения малых сигналов, действующие во внешних це­пях на входе I1U1 и выходе I2U2, можно связать между собой си­стемой уравнений: AU1=h11AIi+h12AU2; AI2=A2iAIi+A22AU2. Коэф­фициелты h11, h12, h21, h22 отражают электрические свойства транзис­торов в отношении малых сигналов низкой частоты в выбранной ра« бочей точке и называются h-параметрами. Их легко определить, осу­ществив режим короткого замыкания (к.з) по переменному току на выходе (АU2=0) и режим холостого хода (х.х) на входе (AIi=0) транзистора Подставляя значения напряжения ДU2=0 при к.з. на выходе и тока АI]=0 при х.х. на входе в приведенные выше уравне­ния, можно определить А-параметры.

Входное сопротивление транзистора в режиме к.з. выходной це­пи h11=ДU1IДI1 при ДU2=0.

Коэффициент обратной связи по напряжению в режиме х.х.


во входной цепи h12=ДU1/AU2 при ДI1=0 показывает, какая часть на­ пряжения сигнала ДU2, действующего на выходных зажимах тран­зистора, передается обратно во входную цепь.

Коэффициент передачи тока h21=AI2/AIi при ДU2=0 показыва­ет, на какое значение изменяется выходной ток транзистора ДI2 при изменении входного тока на значение ДI1 в режиме к. з. по пере­менному току на выходе. Эти коэффициенты, обозначаемые для схем с ОБ А24б, а для схем с ОЭ — h21a, связаны между собой соотноше­ниями- А21э= — h21б/(1+h21б); h21б= — h21э/(1+h21э).

Коэффициенты передачи тока определяют на низких (50 — 1000 Гц) частотах, при которых можно пренебречь реактивными про-водимостями, т. е. фазовым сдвигом между токами и напряжения­ми на входе и выходе транзистора. На высоких частотах эти пара­метры становятся комплексными величинами, поэтому усилительные свойства транзисторов на них характеризуют модулем коэффициен­та передачи тока /h21б/или /h21э/.

Выходная проводимость — отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения в режиме хх. на входе, т. е. А22=ДI2/ДU2 при ДI1=0.

Емкость коллекторного перехода Ск — емкость между вывода­ми коллектора и базы при отключенном эмиттере и обратном смеще­нии на коллекторе. .

Емкость эмиттерного перехода Сэ — емкость между выводами эмиттера и базы при отключенном коллекторе и обратном смещении на эмиттере.

Постоянная времени цепи обратной связи тк на высокой часто­те, определяемая как произведение омического сопротивления базы на емкость коллекторного перехода TK=rg CK.

Коэффициент шума Кш — отношение полной мощности шумов в выходной цепи транзистора к той ее части, которая создается на нагрузке тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Для большинства транзисторов он имеет минимальное значение на часто­тах 1 — 10 кГц. Его принято измерять на частоте 1 кГц. При увели­чении температуры, а также на низких и высоких частотах шумы возрастают. Минимальный шум возникает при работе транзистора с малыми токами коллектора (0,1 — 0,5 мА) и с малым коллекторным напряжением (0,5 — 1,5 В).



Высокочастотные свойства транзисторов характеризуются сле­дующими частотными параметрами.

Предельная частота коэффициента передачи тока fh216 или fа для схемы с ОБ и fh21э или fр — для схемы с ОЭ — это частота, на которой модуль коэффициента передачи тока уменьшается в \/2 раз, т. е. до 0,7 своего значения на низкой частотте. В схеме с ОЭ h21Э<h21б. Предельная частота непосредственно не определяет частот­ный предел использования транзистора, а ограничивает ту область частот, в пределах которой можно пренебречь частотной зависимо­стью параметров.

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр — частота, на которой модуль коэффициента передачи тока транзистора, вклю­ченного по схеме с ОЭ, равен единице. Для любой частоты диапазо­на от 0,1 fгр до fгр модуль коэффициента передачи тока изменяется вдвое при изменении частоты в 2 раза. Модуль коэффициента пере­дачи тока |A218|=frp/f. Предельная и граничная частота связаны соотношениями: fh21Э=fh216/h21Э; fh216=h21Эfh21Э; fгр=0,8 fh21б.

Максимальная частота генерации fмакс (МГц) — наибольшая ча­стота, на которой транзистор способен генерировать колебания в схе­ме автогенератора при, оптимальной обратной связи:



где r6 — сопротивление базц. Ом; Ск — емкость коллектора, пФ.

Параметры в режиме большого сигнала харак­теризуют работу транзисторов в режимах, при которых токи и на­пряжения между выводами транзистора меняются в широких пре­делах. Эти параметры используют для оценки режима работы тран­зистора в мощных каскадах усилителей, автогенераторах, импульс­ных схемах. К параметрам в режиме большого сигнала относят сле­дующие

Статический коэффициент передачи тока h213 (или 5Ст) опреде­ляется как отношение постоянного тока коллектора к току базы (h21э=:Iк/Iб) при заданном напряжении Uкэ.

Напряжение насыщения база — эмиттер Uбэн и коллектор — эмит­тер Uкан. В режиме насыщения оба р-га-перехода транзистора нахо­дятся в проводящем состоянии. В этом режиме базовая область по­лучает дополнительный заряд,-создаваемый подвижными носителями. .В режиме насыщения при включении и выключении транзистора не­обходимо дополнительное время для накопления и рассасывания из­быточного заряда, что снижает скорость переключения.



Время рассасывания tp — интервал времени между моментом подачи на базу транзистора запирающего импульса и моментом, ког­да напряжение на коллекторе достигнет уровня (0,1 — 0,3) UH. Время рассасывания зависит от глубины насыщения транзистора Глубина насыщения определяется коэффициентом насыщения Лн=(Iбh21э)/Iк. Он показывает, во сколько раз ток базы транзистора, находящегося в режиме насыщения, больше тока базы, требуемого для перевода транзистора на границу насыщения, при которой напряжение на коллекторном переходе равно нулю.

Параметры предельных режимов устанавливают­ся исходя из условий обеспечения надежной работы транзисторов.

Чтобы радиотехнические устройства на транзисторах работали безот­казно, рабочие режимы транзисторов выбирают такими, при которых ток, -напряжения и мощность не превышают 0,8 их максимально до­пустимых значений. К параметрам предельных режимов относятся следующие.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора Ас макс (при температуре окружающей среды TС или корпуса Тк), при которой обеспечивается сохранность транзистора. Превышение Рк макс ведет к перегреву и тепловому пробою транзистора. При по­вышении температуры среды или корпуса эта мощность должна сни­жаться. При заданной температуре корпуса Тк или окружающей сре­ды Tс допустимая мощность (Вт) Pк.макс=(Tпмакс — TK)/Rпк; Рк макс = (Tп мако — Tc)/Rnc, где Tп макс — максимально допустимая темпера­тура p-n-перехода, °С; Как и RПс — соответственно тепловое сопротив­ление переход — корпус и переход — окружающая среда, °С/мВт. Для транзисторов малой мощности Rac составляет 0,2 — 2°С/мВт, у биполярных транзисторов средней и большой мощности Rпк= 1 — 50 °С/мВт.

Предельно допустимая температура коллекторного перехода Тк п макс, характеризующая наибольшую температуру коллектора, при которой гарантируется работоспособность и сохранность тран­зистора. Рабочая температура коллектора зависит от мощности, рассеиваемой в основном на коллекторном -переходе, температуры окружающей среды и условий теплоотвода.


Значение Tкпмакс оп­ределяется физическими свойствами полупроводниковых материа­лов.

Максимально допустимые напряжения UКбмакс, Uкэ макс, Vбэ макс, определяемые электрической прочностью соответствую­щих переходов транзистора. Превышение этих величин приводит к росту тока и электрическому или тепловому пробою перехода Для ряда транзисторов указывается сопротивление между базой и эмит­тером Квэ, при котором допустимо заданное напряжение Uкэмакc при- отсутствии запирающего смещения на базе. Для маломощных транзисторов Rбэ<10 кОм, а для мощных Rбэ=100 Ом.

Максимально допустимые значения токов 1К макс, la макс, Iб маке устанавливаются для того, чтобы в период эксплуатации не нарушался механизм движения носителей заряда в полупровод­нике из-за плотности тока.

Максимальные значения токов, напряжений и мощности опре­деляют границы области гарантированной надежности работы Ра­бота в предельном режиме соответствует самой низкой надежности прибора, поэтому использование транзисторов в схемах в таком ре­жиме не рекомендуется, а работа в совмещенных предельных режи­мах (например, по току и рассеиваемой мощности) вообще не до­пускается.

В импульсном (прерывистом) режиме работы допускается пре­вышение предельных значений параметров непрерывного (длитель­ного) режима, при этом указывается длительность импульса или скважность, при которых возможен такой форсированный режим.



Содержание раздела