Усилительные свойства транзисторов

 

Токи транзистора в схеме включения с ОЭ (см. рис.8), работающего в активном режиме, связаны уравнением

.

Отношение тока коллектора к току эмиттера называют коэффициентом передачи тока

,

откуда ток базы

где I_{K 0} = 0,1…10 мкА у кремниевых и I_{K 0} = 10…100 мкА у германиевых транзисторов

Схема включения транзистора с ОЭ является наиболее распространенной вследствие малого тока базы во входной цепи и усиления входного сигнала как по напряжению, так и по току.

Транзистор может работать на постоянном токе, малом переменном сиг­нале, большом переменном сигнале и в ключевом (импульсном) режиме.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. На рис.9 представлены семейства входных  (а) и вы­­ходных  (б) статических характеристик транзистора в схеме с ОЭ. Они могут быть получены в результате эксперимента или расчёта.

Семейства характеристик, которые связывают напряжения и токи на выходе с токами и напряжениями на входе, называют характеристиками передачи или управляющими характеристиками. В качестве примера на рис.7, в приведена управляющая характеристика по току транзистора (коэффициент передачи тока) при напряжении , т. е.

.

Входные и выходные характеристики транзистора обычно приводятся в справочниках (каталогах) транзисторов, которые широко используют для анализа работы транзисторов и для расчета схем при больших сигналах.

Биполярный транзистор в различных схемах подключения можно представить как четырехполюсник и, соответственно, рассчитать его параметры для любой схемы. Для транзистора характерны два значения тока I₁ и I₂ и два значения напряжения U₁ и U₂ (рис.10).

Рис.10. Представление транзистора как четырёхполюсника.

 

I₁, U₁ - ток и напряжение на входе транзистора; I₂, U₂ - ток и напряжение на выходе транзистора.

В зависимости от того, какие из этих величин взять за независимые переменные, а какие - за зависимые, линейный четырехполюсник можно описать шестью различными системами уравнений. На практике используются три основных зависимости между входными и выходными величинами, которые отражены в таблице 1.

Таблица 1. Зависимости между входными и выходными величинами четырехполюсника

Независимые переменные	I1, I2	U1, U2	I1, U2
Зависимые переменные	U1, U2	I1, I2	U1, I2

В соответствии с этими зависимостями можно получить три системы параметров транзистора: система Z - параметров, система Y - параметров и система H - параметров.

Система z-параметров. Если в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника взять токи I₁ и I₂, а напряжения U₁ и U₂ определять как функции этих токов, то связь напряжений и токов в линейном приближении будет иметь вид:

U₁ = z₁₁I₁ + z₁₂I₂;

U₂ = z₂₁I₁ + z₂₂I₂.

Коэффициенты z_ik в этих уравнениях определяются следующим образом:

z₁₁ = U₁/I₁ при I₂ = 0 и Z₂₂ = U₂/I₂ при I₁ = 0

z₁₁, z₂₂ - входное и выходное сопротивления;

Z₁₂ = U₁/I₂ при I₁ = 0 и Z₂₁ = U₂/U₁ при I₂ = 0

z₁₁, z₂₂ - сопротивления обратной и прямой передач.

Измерения z-параметров осуществляются в режиме холостого хода на входе (I₁ = 0) и выходе (I₂ = 0).

Система y-параметров. Зададим в качестве входных параметров биполярного транзистора как четырехполюсника напряжения U₁ и U₂, а токи I₁ и I₂ будем определять как функции этих напряжений. Тогда связь токов и напряжений в линейном приближении будет иметь вид:

I₁ = y₁₁U₁ + y₁₂U₂;

I₂ = y₂₁U₁ + y₂₂U₂.

Коэффициенты в уравнениях имеют размерность проводимости и определяются следующим образом:

y₁₁ = I₁/U₁ при U₂ = 0 и y₂₂ = I₂/U₂ при U₁ = 0

y₁₁, y₂₂ - входная и выходная проводимости;

y₁₂ = I₁/U₂ при U₁ = 0 и y₂₁ = I₂/U₁ при U₂ = 0

y₁₂, y₂₁ - проводимости обратной и прямой передач.

Измерение y-параметров происходит в режиме короткого замыкания на входе (U₁ = 0) и выходе (U₂ = 0) (Параметры транзистора как четырехполюсника).

Система h-параметров. Наиболее часто используется система h-параметров, которая представляет собой комбинированную систему из двух предыдущих.

В режиме усиления малых сигналов транзистор в схеме с ОЭ часто представляют в виде линейного четырехполюсника, входные и выходные параметры которого связаны следующими уравнениями:

;

где  () - входное динамическое сопротивление транзистора (h _{11 Э} = 100…1000 Ом); () - безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, значение которого лежит в пределах 0,002…0,0002 (при расчётах им часто пренебрегают, т. е. полагают рав­ным нулю); () - коэффициент передачи (усиления) тока при постоянном напряжении на коллекторе; его также обозначают  или ;

() - выходная проводимость транзистора при постоянном токе базы (h _{22 Э} = См).

Параметры схемы замещения транзистора с ОЭ в h -форме определяют по его входным и выходным характеристикам (см. рис.7).

Для определения входных сопротивлений транзистора необходимо воспользоваться эквивалентными схемами, которые должны отражать реальные свойства замещаемых транзисторов. Широкое распространение получили так называемые Т-образные эквивалентные схемы (рис. 11).

При построении эквивалентной схемы транзистора исходят из того, что эмиттерный и коллекторный переходы, так же как и тонкий слой базы, обладают некоторыми определенными сопротивлениями, равными соответственно r_э, r_к и r_б. Поэтому простейшей эквивалентной схемой транзистора служит цепь, составленная из сопротивлений r_э, r_к и r_б, соединенных между собой, как показано на рис. 11,а.

Рис.11. Эквивалентные Т-образные схемы транзистора: а - без дополнительного генератора; б - для схемы с общей базой; в - для схемы с общим эмиттером; г - для схемы с общим коллектором.

Переходная характеристика. Переходная характеристика — зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения. Эта характеристика дает возможность определить переходные искажения, которые в области малых времен характеризуются фронтом выходного напряжения и оцениваются временем установления и выбросом фронта. В области больших времен искажается вершина импульса. Эти искажения оценивают относительным (в %) значением спада плоской вершины к моменту окончания импульса.       

 Основные типы транзисторов. Все современные транзисторы можно классифицировать по мощ­ности на транзисторы малой, средней и большой мощности и по частоте – на транзисторы низкой, средней, высокой и сверхвысо­кой частоты (табл. 2).

Обозначение транзисторов состоит из четырех элементов. Первый элемент, как у диодов, буква или цифра, обозначающая полупровод­никовый материал; второй элемент – буква (для транзисторов – Т); третий элемент – число, указывающее назначение или электрические свойства прибора (табл. 2). Четвертый элемент – буква, указывающая разновидность типа из данной группы транзисторов. Например, ГТ310А – германиевый маломощный высокочастотный транзистор.

Таблица 2.

Частоты	Транзисторы
	Маломощные, менее 0,3 Вт	Средней мощности, 0,3 …1,5 Вт	Мощные, более 1,5 Вт
Низкая частота Средняя частота Высокая астота	101 – 199 201 – 299 301 – 399	401 – 499 501 – 599 601 – 699	701 – 799 801 – 899 901 – 999

 

Полевые транзисторы.

Полевым транзистором именуют такой компонент, через который под влиянием продольного электрического поля протекает ток, обусловленный движением носителей заряда сугубо одного типа. Так как принцип действия полевых транзисторов основан на перемещении основных носителей заряда одного типа проводимости, такие компоненты еще называют униполярными.

Затвором называют вывод полевого транзистора, к которому подводят напряжение от устройства управления. Следует подчеркнуть, что управление полевыми транзисторами осуществляют напряжением, а биполярными транзисторами – током. Истоком именуют вывод, который обычно служит источником поступления в транзистор носителей заряда от устройства электропитания. Стоком называют вывод компонента, через который носители заряда покидают транзистор. Перемещение основных носителей заряда от истока к стоку происходит по области, которая носит название канала полевого транзистора. Каналы у полевых транзисторов могут быть как электронного, так и дырочного типов проводимостей. Носителями заряда в полевых транзисторах n-типа выступают электроны, а в приборах p-типа – дырки.

Полевые транзисторы классифицируют на:

1. Приборы с управляющим переходом.

2. Приборы с изолированным затвором, которые подразделяются на:

а) транзисторы со встроенным каналом

б) приборы с индуцированным каналом.

Рис.12. Обозначение полевых транзисторов.

 

Упрощенная конструкция полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа и n-типа проводимости изображена на рис. 13.

Рис. 13. Конструкция полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа и n-типа.

 

Из рисунка видно, что канал возникает между двумя p-n переходами. Конструкция компонентов с каналом n-типа не имеет отличий от конструкции полевых транзисторов с каналом p-типа.Но в полевых транзисторах с каналом n-типа полупроводник, в котором возникает канал, обладает электронным типом проводимости, а области затвора имеют дырочную проводимость. Полевые транзисторы с каналом n-типа могут обладать лучшими частотными и температурными свойствами и образовывать шумы меньшей амплитуды, чем приборы с каналом p-типа.

Принцип действия полевых транзисторов с управляющим переходом заключен в изменении площади сечения канала под воздействием поля, возникающего при подаче напряжения между затвором и истоком. Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа приведена на рис. 14.

Рис. 14. Структура транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа.

 

Пока между затвором и истоком не подано напряжение управления, под воздействием внутреннего поля электронно-дырочных переходов они заперты, сечение канала наиболее велико, его сопротивление низко, и ток стока транзистора максимален. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока наиболее велик, называют напряжением насыщения.

Если между затвором и истоком приложить небольшое напряжение, еще немного закрывающее p-n переходы, то зоны, к которым подсоединен затвор, будут обеднены носителями заряда, размеры этих зон объемного заряда возрастут, частично перекрывая сечение канала, сопротивление канала возрастет, и сила тока стока станет меньше. Обедненные носителями заряда области почти не проводят электрический ток, причем эти области неравномерны по длине пластины полупроводника. Так, у торца пластинки, к которому подключен вывод стока, обедненные носителями заряда области будут наиболее существенно перекрывать канал, а у противоположного торца, к которому подсоединен вывод истока, снижение площади сечения канала будет наименьшим.

Если приложить еще большее напряжение между затвором и истоком, то области, обедненные носителями заряда, станут столь велики, что сечение канала может быть ими полностью перекрыто. При этом сопротивление канала будет наибольшим, а ток стока будет практически отсутствовать. Напряжение затвор-исток, соответствующее такому случаю, именуют напряжением отсечки.

К важнейшим характеристикам полевых транзисторов относят стокозатворную характеристику и семейство стоковых характеристик. Стокозатворная характеристика отражает зависимость силы тока стока от приложенного к выводам затвор-исток напряжения при фиксированном напряжении сток-исток. Это показано на рис. 15 для полевых транзисторов с управляющим переходом и каналами p-типа и n-типа проводимостей.

Рис. 15. Стокозатворные характеристики транзисторов с управляющим переходом.

 

Семейство стоковых характеристик представляет зависимости токов стока от напряжений сток-исток при фиксированных стабильных напряжениях затвор-исток, что изображено на рис. 16.

Рис. 16. Стоковая характеристика транзисторов с управляющим переходом.

 

По достижении определенного значительного напряжения сток-исток развивается лавинный пробой области между затвором и стоком. При этом идет резкое увеличение тока стока, что можно видеть на стоковой характеристике.

Функционирование полевых транзисторов с управляющим переходом возможно сугубо путем обеднения канала носителями заряда. В связи с тем, что напряжение сигнала прикладывают к закрытому переходу, входное сопротивление каскада велико и для рассмотренных выше приборов может достигать 10⁹ Ом.