Транзисторы

Рис. 4.4. Диаграмма составляющих токов в транзисторе

Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока I _к под действием подводимого входного тока I _э (или напряжения U _э), обусловливается изменением дырочной составляющей коллекторного тока I _{к p} за счет изменения дырочной составляющей эмиттерного тока I _{э р} (рис. 4.4). Таким образом, принцип действия биполярного транзистора основан на создании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (выходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется током.

Основное соотношение для токов транзистора составляется по первому закону Кирхгофа: I _э = I _к + I _б.

Коллекторный ток транзистора I_к, обусловленный дырочной составляющей I _{к p}, связан с током эмиттера I _э коэффициентом передачи тока α: α = I _{к р} / I _э.

Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

При использовании транзисторов в различных схемах представляют практический интерес зависимости напряжения и тока входной цепи (входные вольт-амперные характеристики) и выходной цепи (выходные или коллекторные вольт-амперные характеристики). Эти характеристики могут быть записаны аналитически или построены графически. Последний способ наиболее прост и нагляден, поэтому он нашел преобладающее применение. Вольт-амперные характеристики снимают при относительно медленных изменениях тока и напряжения (по постоянному току), в связи с чем их называют статическими. Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Рис. 4.5. Схема включения транзистора с общей базой (схема ОБ)

Существуют три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). О способе включения с общей базой говорилось при рассмотрении принципа действия транзистора. Различие в способах включения зависит оттого, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной цепей является база, в схеме ОЭ — эмиттер, в схеме ОК — коллектор.

В силу того, что статические характеристики транзистора в схемах ОЭ или ОК примерно одинаковы, далее рассматриваются характеристики только для двух способов включения: ОБ и ОЭ.

Схема ОБ (рис. 4.5). Выходные характеристики транзистора в схеме ОБ отражают зависимость тока коллектора I _к от напряжения на коллекторе относительно базы U _кб при фиксированном токе эмиттера I _э : I _к = F (U _кб) I _э = const (рис. 4.6, а). Здесь, как и ранее, рассматривается транзистор типа р-п-р, поэтому напряжение U _кботрицательное.

Вольт-амперные характеристики имеют три характерные области: I — сильная зависимость I _к от U _кб(нелинейная начальная область), II — слабая зависимость I _к от U _кб(линейная область), III — пробой коллекторного перехода.

Для схемы ОБ характерно расположение начальной области I левее оси ординат. Это обусловлено тем, что напряжение на коллекторном переходе транзистора в схеме ОБ определяется суммой внутренней разности потенциалов φ₀ и внешнего напряжения U _кб. При U _кб = 0 и заданном токе эмиттера дырки перебрасываются в коллектор из базы под действием внутренней разности потенциалов φ₀; при U _кб = 0 ток I _к ≠0. Чтобы уменьшить ток I _к, нужно создать встречный поток дырок через переход, т.е. перевести коллекторный переход путем изменения полярности напряжения U _кб в режим инжекции носителей заряда (в режим эмиттера). При подаче некоторого напряжения положительной полярности U _кб потоки дырок через коллекторный переход будут взаимно скомпенсированы и ток I _э = 0. Естественно, что с увеличением тока I _э для этого необходимо подать напряжение U _кббольшей величины. Этим объясняется смещение влево начальных участков характеристик при большем токе I _э.

Рис. 4.6. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ (а);
иллюстрация эффекта модуляции базы в транзисторе (б);
зависимость коэффициента передачи тока α от тока эмиттера I _э (в)

Входные характеристики транзистора в схеме ОБ (рис. 4.7) представляют собой зависимость I _э = F (U _эб) u _кб = const и по виду близки к прямой ветви вольт-амперной характеристики р-п- перехода (диода).

Рис. 4.7. Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ

Входная характеристика, снятая при большем напряжении U _кб, располагается левее и выше. Это обусловливается эффектом модуляции базы, приводящим к повышению градиента концентрации дырок в базе и увеличению тока I _э.

Схема ОЭ (рис. 4.8). В схеме ОЭ вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепей транзистора. Напряжения питания U _бэ, U _кэподаются соответственно между базой и эмиттером, а также между коллектором и эмиттером транзистора. Без учета падения напряжения в базовом слое напряжение U _бэопределяет напряжение на эмиттерном переходе. Напряжение на коллекторном переходе находят как разность U _кэ – U _бэ.

Рис. 4.8. Схема включения транзистора с общим эммитером (схема ОЭ)

Выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ определяют зависимость коллекторного тока I _к = F (U _кэ)при I _б = const (рис. 4.9, а). Как и для схемы ОБ, здесь можно выделить три характерные области: I — начальная область, II — относительно слабая зависимость I _к от U_кэ, III — пробой коллекторного перехода.

Рис. 4.9. Выходные (а)и входные (б)характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ

Коллекторные характеристики транзистора в схеме ОЭ отличаются от соответствующих характеристик в схеме ОБ. В частности, они начинаются из начала координат и участок I располагается в первом квадранте. При U _кэ = 0 напряжение на коллекторном переходе равно U _бэ, коллекторный переход открыт и инжектирует дырки в базу. Потоки дырок через коллекторный переход (от коллектора и базу и от эмиттера в коллектор) взаимно уравновешиваются и ток I _к ≈ 0. По мере повышения напряжения U _кэ в области I прямое напряжение на коллекторном переходе снижается, его инжекция уменьшается и ток I_к возрастает. На границе с областью II прямое напряжение снимается с коллекторного перехода и в области II на переходе действует обратное напряжение. Точке перехода от области I к области II соответствует напряжение U _кэпорядка 0,5—1,5 В.

Отличие характеристик для схемы ОЭ в области II покажем, выразив в (4.11) ток I _э через I _б и ток I _к в соответствии с формулой (4.8). После замены U _кб на U _кэполучаем коллекторные характеристики транзистора в схеме ОЭ, записанные в аналитической форме:

, (4.12)

где β = I _к / I _б = α / (1 – α) — коэффициент передачи тока в схеме ОЭ.

Коэффициент β показывает связь тока коллектора с входным током I _б. Если для транзисторов коэффициент α = 0,9÷0,99, то коэффициент β = 9÷99. Иными словами, транзистор в схеме ОЭ дает усиление по току. Это является важнейшим преимуществом включения транзистора по схеме ОЭ, чем, в частности, определяется более широкое практическое применение этой схемы включения по сравнению со схемой ОБ.

h-параметры

Связь между входными (U ₁, I ₁)и выходными (U ₂, I ₂)напряжениями и токами четырехполюсника (рис. 4.11) выражается системой двух уравнений. Выбрав два из входящих в эту систему параметров за независимые переменные, находят два других.

Рис. 4.11. К определению параметров транзистора как четырехполюсника

Для транзистора как четырехполюсника в качестве независимых переменных обычно принимают приращения входного тока Δ I ₁, и выходного напряжения Δ U ₂, а приращения входного напряжения Δ U ₁ и выходного тока Δ I ₂ выражают через так называемые h -параметры транзистора:

Δ U ₁ = h ₁₁Δ I ₁ + h _l2Δ U ₂,(4.18)

Δ I ₂ = h ₂₁Δ I ₁ + h ₂₂Δ U ₂. (4.19)

Параметры, входящие в уравнения (4.18), (4.19), определяют: h ₁₁ = Δ U ₁ / Δ I ₁ — входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении (Δ U ₂ = 0); h ₂₁ = Δ I ₂ / Δ I ₁ — коэффициент передачи тока при неизменном выходном напряжении (Δ U ₂ = 0); h ₁₂ = Δ U ₁ / Δ U ₂ — коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе (Δ I ₁ = 0); h ₂₂ = Δ I ₂ / Δ U ₂ — выходную проводимость транзистора при неизменном входном токе (Δ I ₁ = 0).

Конкретные значения h -параметров зависят от схемы включения транзистора, т.е. от того, какие токи и напряжения являются входными и выходными. В справочниках обычно приводят h-параметры, измеренные в схеме ОБ для средней полосы частот при типовых значениях постоянных составляющих тока и напряжения.

Установим связь h -параметров транзистора с их физическими параметрами в схеме ОБ.

Рис. 4.10. Схема замещения транзистора в физических параметрах,
включенного по схемам ОБ (а) и ОЭ (б)

С этой целью воспользуемся схемой рис. 4.10, а. Примем в ней напряжение εu _кб = 0, переменные составляющие заменим приращениями: u _эб = Δ U ₁, i _э = Δ I ₁, u _нб = Δ U ₂, i _к = Δ I ₂, а ток i _бвыразим через входной ток: i _б = (1 – α)Δ I ₁.

Для входной цепи транзистора (см. рис. 4.10, а) при Δ U ₂ = 0имеем

Δ U ₁ = Δ I ₁[ r _э + (1 – α) r _б], откуда h ₁₁ = r _э + (1 – α) r _б. (4.20)

Для того же режима (Δ U _{2 =} 0) ток выходной цепи

Δ I ₂ = α Δ I ₁ h ₂₁ = α. (4.21)

В отсутствие приращений входного тока (Δ I ₁= 0) ток в выходной цепи

Δ I ₂ = Δ U ₂(r _к(б) + r _б) ≈ Δ U ₂ / r _k(б) или h ₂₂ = 1 / r _к(б). (4.22)

Для этого же режима напряжения на входе и выходе соответственно равны

Δ U ₁ = Δ I ₂ r _б, Δ U ₂ ≈ Δ I ₂ r _к(б), откуда h ₁₂ ≈ r _б / r _к(б). (4.23)

Полученные соотношения для h -параметров используем для выражения физических параметров транзистора через его h -параметры:

r _э = h ₁₁ – (1 – h ₂₁) h ₁₂ / h ₂₂, r _б = h ₁₂ / h ₂₂, r _к(б) = 1 / h ₂₂, α = h ₂₁ (4.24)

Транзисторы с управляемым р-п- переходом (полевые транзисторы)

Анализ работы полевого транзистора с р-п- переходом проведем на его модели, показанной на рис. 5.1, а. В приведенной конструкции канал протекания тока транзистора представляет собой слой полупроводника n- типа, заключенный между двумя p-n- переходами. Канал имеет контакты с внешними электродами прибора. Электрод, oт которого начинают движение носители заряда (в данном случае электроны), называют истоком, а электрод, к которому они движутся, — стоком. Полупроводниковые слои p- типа, образующие с п- слоем два р-п- перехода, созданы с более высокой концентрацией примеси, чем п- слой. Оба р- слоя электрически связаны между собой и имеют общий внешний электрод, называемый затвором. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом р- типа.

Рис. 5.1. Конструкция полевого транзистора с р-п- переходом (а); условные обозначения полевого транзистора с р-п-переходом и каналом п- типа (б); с р-п- переходом и каналом р- типа (в)

Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 5.1, а. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение U_зиявляется обратным для обоих п-р-п ереходов. В выходную цепь, в которую входит канал транзистора, включается напряжение U _cиположительным полюсом к стоку.

Управляющие свойства транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения U _зи изменяется ширина его p-n- переходов, представляющих собой участки полупроводника, обедненные носителями заряда. Поскольку р- слой имеет большую концентрацию примеси, чем n- слой, изменение ширины p-n- переходов происходит в основном за счет более высокоомного n- слоя (эффект модуляции ширины базы). Тем самым изменяются сечение токопроводящего канала и его проводимость, т.е. выходной ток I _с прибора.

Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение U _зи, так и напряжение U _си. Влияние подводимых напряжений на проводимость канала иллюстрирует рис. 5.2, а — в, где для простоты не показаны участки n- слоя, расположенные вне р-п- переходов.

Рис. 5.2. Поведение полевого транзистора с p-n- переходом и каналом n- типа при подключении внешних напряжений: а) U _зи < 0, U _си = 0; б) U _зи = 0, U _си > 0; в) U _зи < 0, U _си > 0

На рис. 5.2, а внешнее напряжение приложено только к входной цепи транзистора. Изменение напряжения U _зиприводит к изменению проводимости канала за счет изменения на одинаковую величину его сечения по всей длине канала. Но выходной ток I _с = 0, поскольку U _си = 0.

Рассмотрим вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с п-р-п ереходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт-амперных характеристик: стоковые и стоко-затворные.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п -типа показаны на рис. 5.3. Они отражают зависимость тока стока от напряжения сток — исток при фиксированном напряжении затвор — исток I _с = F (U _си) U _зи = const и представляются в виде семейства кривых. На каждой из этих кривых можно выделить три характерные области: I — сильная зависимость тока I _с от напряжения U _си(начальная область); II — слабая зависимость тока I _с от напряжения U _си; III — пробой р-п- перехода.

Рис. 5.3. Семейство стоковых (выходных) характеристик полевого транзистора
с р-п- переходом и каналом п- типа