Усилитель напряжения на триоде

Схема усилителя напряжения на триоде похожа по своему виду на схему с полевым транзистором (рис. 2.7). Такая схема приведена на рис. 3.9. В ней применен двойной триод ЕСС83 A2АХ7), то есть лампа, у которой ради экономии в один баллон помещены два триода. Можно воспользоваться любой половиной этого двойного триода, принимая во внимание цоколевку, указанную на рис. 3.10 (цоколь типа В9А). Нагреватели (нити накала — Прим. перев.) можно включать последовательно, подавая 12,6 В между выводами h₁ и h₂ или параллельно, как это чаще всего и делают, соединяя h₁, и h₂ вместе и подавая 6,3 В между точкой их соединения и выводом.

Как и в случае других усилителей напряжения, уже рассмотренных нами, выходным сигналом является напряжение на резисторе нагрузки R_L. Катодный резистор R_K выполняет ту же функцию, что и резистор в цепи истока в усилителе на полевом транзисторе на рис. 2.7; на этом резисторе падает постоянное напряжение (типичное значение 2 В), в результате чего на катоде поддерживается небольшое положительное напряжение относительно земли; поэтому сетка оказывается нужным образом смещенной, чтобы работать на линейном участке проходной характеристики (вида, указанного на рис. 3.6). Говорят, что в такой схеме имеет место автоматическое смещение сетки. Блокировочный конденсатор емкостью 100 мкФ предотвращает появление на катодном резисторе переменного сигнала, который, вычитаясь из входного сигнала, вызывал бы уменьшение усиления (отрицательная обратная связь).

Подобно полевому транзистору, лампа является управляемым напряжением прибором, у которого входной ток пренебрежимо мал. Поэтому ламповым схемам присуще высокое входное сопротивление и они пригодны для усиления сигналов от пьезоэлектрического и конденсаторного микрофонов. Необходимость применения высоковольтного питания с напряжением 200 В является недостатком, но зато на выходе можно получать большие по амплитуде сигналы без отсечки сверху и без ограничения снизу. Характеристики триода заметно отличаются от характеристик полевого или биполярного транзистора тем, что вместо внезапного наступления отсечки и насыщения при достижении выходным сигналом потенциала шины высоковольтного питания и при его уменьшении до потенциала земли происходит постепенное искажение формы сигнала по мере его увеличения. Тем не менее, в схеме, приведенной на рис. 3.9, можно получать выходные сигналы с размахом порядка 100 В без существенных искажений. Типичное значение коэффициента усиления напряжения — 30.

 

Тетрод и пентод

 

В 20-е годы, когда триоды уже широко применялись в радиоаппаратуре для целей усиления, стало ясно, что их характеристики на частотах выше нескольких десятков килогерц оставляют желать лучшего. На этих частотах усиление быстро падало и, в отдельных случаях, усилители могли возбуждаться, становясь сами по себе источниками паразитных сигналов. Усиление в области высоких частот более полно обсуждается в главе 7, где будет показано, что одни и те же проблемы возникают как в транзисторных, так и в ламповых схемах. Главная причина плохого поведения триодов на высоких частотах заключается в емкости между анодом и сеткой. Чтобы преодолеть это затруднение, была введена вторая сетка между управляющей сеткой и анодом. Эта вторая сетка, или экранная сетка, служит электростатическим экраном между анодом и сеткой. Для поддержания потока электронов на нее подается постоянное положительное напряжение, подобно тому как оно подается на анод, однако с помощью конденсатора вторую сетку соединяют с землей, так что с точки зрения переменного сигнала она является заземленным экраном. Таким образом, мы пришли к ламповому тетроду, условное обозначение которого приведено на рис. 3.11.

Когда электроны ударяются в анод лампы, они могут выбивать другие электроны и вызывать то, что называют вторичной эмиссией динатронным эффектом — Прим. перев.). Недостаток тетрода состоит в том, что эти вторичные электроны могут попадать на экранную сетку, отнимая у анода часть тока и приводя к нежелательному «излому» анодной характеристики. Один из способов преодоления этой неприятности состоит в том, чтобы сформировать из электронов, движущихся в сторону анода, направленный пучок (луч), применяя для этого специальные пластины. Результатом будет наличие мощного отрицательного пространственного заряда, который станет отталкивать вторичные электроны обратно к аноду. Такие лампы известны как лучевые тетроды и используются в мощных выходных каскадах в аппаратуре звукового диапазона (напр., КТ88, 6L6).

Другое решение проблемы, связанной со вторичной эмиссией, состоит во введении между экранной сеткой и анодом еще одной сетки (антидинатрон- ной сетки — Прим. перев.), подавляющей вторичную эмиссию. Эта третья сетка обычно соединяется либо с катодом, либо с землей, так что она отталкивает вторичные электроны, позволяя в то же время потоку электронов с большой энергией проходить от экранной сетки к аноду. Такая пятиэлектродная лампа называется пентодом; ее условное обозначение приведено на рис. 3.12. Хотя первоначально пентод предназначался для удовлетворения нужд усиления в области высоких частот, оказалось, что он вообще обладает более полезными характеристиками, чем триод, за исключением немного большего уровня шума. Поэтому пентод широко используется для усиления и на высоких, и на низких частотах. Полезно отметить, что, несмотря на наличие одинакового числа электродов у лампового триода и у полевого транзистора, характеристики последнего больше похожи на арактеристики пентода, нежели на характеристики триода.

 

 

Усилитель напряжения на пентоде

Схема усилителя напряжения на малошумящем пентоде EF86 приведена на рис. 3.13. Эта схема дает усиление напряжение, равное примерно 300, и является характерной для большого числа ламповых устройств звукового диапазона. Заметьте, что антидинатронная сетка (g3) соединена с катодом, а блокировочный (развязывающий) конденсатор емкостью 100 нФ замыкает экранную сетку (g2) на землю по переменному току.

 

 

Переключающие схемы на лампах

Если лампа должна быть использована в режиме переключений, то, как правило, пентод предпочтительнее триода, так как у него значительно четче выражено состояние ограничения снизу, когда он полностью открыт.

При проектировании переключающих схем, которым предстоит работать с напряжениями больше 500 В или около того, стоит подумать скорее о ламповом пентоде, а не о транзисторе, особенно в экспериментальной установке, где могут происходить неожиданные скачки напряжения. При скачке, превосходящем номинальное предельное напряжение, транзистор будет, как правило, сразу выходить из строя, тогда как лампа, в которой нет уязвимых р-п переходов, не так чувствительна к подобному безжалостному обращению с ней и может пережить даже внутренний пробой.

При применении ламп в переключающих схемах следует обращаться к справочникам и выбирать лампу так, чтобы она могла работать с нужным током.

Следует с помощью резисторов предусмотреть ограничение анодного и экранного токов указанными в справочнике предельными значениями. Лампа открыта, когда напряжение между сеткой и катодом равно нулю. Величина отрицательного напряжения сетка-катод, при котором происходит отсечка анодного тока, зависит от типа лампы, но обычно лежит в пределах от -3 В до -40 В.

 

 

Тема 3:Полупроводники [4]

 

По своим электрическим свойствам твердые вещества можно разделить на три класса: проводники, изоляторы и полупроводники. Класс, в который попадает тот или иной материал, зависит от поведения электронов на внешней орбите атома. В случае изолятора, такого как полиэтилен, эти валентные электроны прочно связаны с ядром и лишь немногие из них способны порвать связь со своими атомами и участвовать в движении, образующем электрический ток. В проводнике, таком как медь, очень много свободных электронов при любой температуре выше абсолютного нуля, поскольку валентные электроны совсем слабо связаны со своими атомами и свободно дрейфуют.

Полупроводники являются необычными материалами. Полупроводником, чаще все применяемым в транзисторах, является кремний, хотя используется и германий. Оба эти элемента — четырехвалентные, то есть на внешней орбите их атомов находятся по четыре электрона. Кристаллы кремния и германия имеют очень ясную и стройную структуру, благодаря которой атомы удерживаются вместе в устойчивом образовании; говорят, что устойчивость обеспечивается ковалентной связью. Известно, что при наличии у атома восьми валентных электронов вещество оказывается очень стабильным (инертные газы находятся в таком состоянии). Соседние атомы в кристалле кремния или германия принимают совместное участие в таком образовании, в результате чего каждое ядро имеет «половинную долю» в восьми валентных электронах вместо индивидуального владения четырьмя валентными электронами, которыми обладал бы изолированный атом. Такая структура из атомов кремния схематически показана на рис. 16(a); каждая из указанных на рисунке связей между атомами, представляет собой совместно используемый валентный электрон. Здесь интересно отметить, что чрезвычайная твердость алмаза связана с тем, что четырехвалентные атомы углерода имеют такую же организацию.

Алмаз действительно считается полупроводником, но прочность ковалентных связей, которая и обеспечивает его физическую твердость, приводит фактически к очень слабой электропроводности. Какое счастье, что для транзисторов мы имеем намного лучшие и значительно более дешевые альтернативные материалы!

Электроны и дырки

Идеальная решетка из атомов кремния, показанная на рис. 1.6(a), существует только при температурах вблизи абсолютного нуля. При комнатной температуре вследствие тепловых колебаний атомов происходит разрыв некоторых связей; электроны отрываются от атомов и свободно блуждают по кристаллу. Там, где электрон становится свободным, он оставляет после себя дырку или отсутствие отрицательного заряда, которое также может казаться перемещающимся, если разорванная связь заполняется электроном из соседнего атома. На рис. 1.6(A) представлен участок кристаллической решетки кремния при комнатной температуре со свободным электроном и получившейся дыркой.

Наличие свободных электронов делает кремний проводником

электричества, хотя и очень плохим. Если, например, подключить образец из кремния к батарее, то приложенное поле будет увлекать свободные электроны по направлению к положительному выводу. При этом дополнительные свободные электроны появляются на отрицательном выводе и могут передвигаться по полупроводнику, перескакивая от дырки к дырке. Так устанавливается электрический ток. Если температура полупроводника увеличивается, то разрывается большее число связей, появляется больше электронов и дырок и проводимость растет. Интересно отметить, что этот температурный эффект прямо противоположен эффекту, наблюдаемому в металлах: даже при низких температурах в проводнике имеется такое облако свободных электронов, что фактором, ограничивающим проводимость, является уже не отсутствие свободных электронов, а их способность двигаться между атомами металла. При увеличении температуры проводника амплитуда колебаний атомов увеличивается и они в большей степени препятствуют движению свободных электронов. Таким образом, с ростом температуры сопротивление проводника увеличивается, тогда как у полупроводника оно падает. Очень слабая проводимость, которой обладает чистый полупроводник, называется собственной проводимостью.

 

Проводимость полупроводника с примесями.

 

Добавление примесей в полупроводник приводит к интересным результатам. Атомы некоторых примесей способны внедряться в кристаллическую решетку, не внося в нее чрезмерной деформации, и в случае, когда валентность этих атомов отличается от собственной валентности полупроводника, проводимость кристалла значительно возрастает. На рис. 1.7 показан результат введения пятивалентных атомов фосфора в кристалл кремния. Четыре из пяти валентных электронов связаны с соседними атомами кремния, а оставшийся электрон настолько слабо связан, что становится свободным и может передвигаться по кристаллу, увеличивая его проводимость. Введение примесей в полупроводник называют легированием, а появляющаяся при этом проводимость называется примесной проводимостью. Пятивалентные примеси, такие как фосфор, называются донорными, так как они добавляют свободные электроны в кристалл. Поскольку примесная проводимость в данном случае обусловлена свободными отрицательными зарядами (электронами), этот тип легированных полупроводников называют полупроводниками п-типа.

На рис. 1.8 показан эффект от введения в кремний трехвалентных атомов бора. Несмотря на то, что атом бора имеет только три валентных электрона, он принимает дополнительный электрон от одного из соседних атомов кремния для заполнения его ковалентных связей. Это приводит к образованию в решетке дырки или отсутствия электрона, и такая дырка может перемещаться, участвуя, таким образом, в обеспечении проводимости. На самом деле, конечно, при этом происходят перескоки валентных электронов, но результат заключается в том, что дырка переходит от атома к атому. Трехвалентные примеси, подобные бору, называют акцепторными, поскольку они, будучи введены в кристалл, способны принимать электроны. Так как теперь проводимость обусловлена положительными дырками, этот легированный полупроводник носит название полупроводника р-типа.

Важно понимать, что образец полупроводника как /ьтипа, так и л-типа, сам по себе не обладает в целом электрическим зарядом. В любом случае общее число электронов уравновешивается таким же числом протонов в ядрах атомов. Обозначения р- и л- относятся только к типу зарядов, ответственных за проводимость внутри кристалла.

 

Основные и неосновные носители

 

Несмотря на то, что наличие примеси в легированных полупроводниках является основной причиной проводимости, все же остается и собственная проводимость чистого полупроводника, вызванная нарушением ковалентных связей из-за тепловых колебаний. Таким образом, в материале л-типа кроме свободных электронов, обусловленных донорной примесью, имеется небольшое количество дырок, образовавшихся в результате тепловой генерации пар электрон-дырка. Аналогично в материале р-типа имеется немного электронов теплового происхождения. Носители зарядов, намеренно введенные путем легирования, называют основными носителями, тогда как носители зарядов (противоположного знака — Прим. перев.), возникающие в результате тепловых колебаний, называются неосновными.

 

 

р-п переход

 

Работа полупроводникового прибора, такого как транзистор, определяется эффектами, имеющими место на границе между материалами р- и п-типа. На этой стадии важно понять, что полупроводниковый переход представляет собой изменение материала с р-типа на п-тип в пределах одной и той же непрерывной кристаллической решетки. При простом соединении образцов материала р-типа и материала п-типа не возникает р-n переход.

На рис. 1.9 показан диод, представляющий собой р-п переход с металлическими контактами с каждой стороны. Под изображением перехода приведен график изменения потенциала на р-п переходе. Как только переход образован, часть свободных электронов из области п-типа вблизи границы переходит в область р-типа и заполняет часть дырок р-п области. На месте электронов остается область с некомпенсированным положительным зарядом. То же самое происходит в области р-тпа, где возникает отрицательный заряд.

Эти заряды образуют потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему перемещению электронов через переход, благодаря чему наступает равновесие. В результате такого начального перемещения дырок и свободных электронов вблизи р-п перехода практически не остается свободных носителей. Эта область, шириной менее одного микрона, называется обедненным слоем.

 

Смещенный р-п переход

 

Если к р-п переходу подключен внешний источник постоянного напряжения, то потенциальный барьер обедненного слоя увеличивается или уменьшается в зависимости от полярности поданного напряжения или смещения.

На рис. 1.10 показаны оба случая: (а) обратное смещение, когда потенциальный барьер увеличивается, а обедненный слой расширяется, и (Ь) прямое смещение, когда барьер уменьшается, а обедненный слой сужается. В случае обратного смещения через переход течет очень маленький ток, связанный с тепловым разрушением ковалентных связей в обеих областях.

Не основные носители имеют такую полярность, которая способствует их прохождению через переход. Однако при комнатной температуре этот обратный ток у кремниевого перехода настолько мал (порядка 1 нА), что на практике им часто пренебрегают. Когда же переход смещен в прямом направлении, потенциальный барьер понижается, нарушается равновесие и часть электронов из п области и дырок из р области теперь способны пересечь переход.

Чем больше напряжение прямого смещения, тем ниже потенциальный барьер, тем большее число электронов и дырок проходит сквозь обедненный слой и, следовательно, возникает ток, текущий через переход.

Следует отметить, что при увеличении э.д.с. прямого смещения, эффективное сопротивление перехода уменьшается из-за понижения потенциального барьера. В результате небольшое увеличение напряжения, приложенного в прямом направлении, вызывает значительное увеличение тока. Обычно у маломощных кремниевых диодов напряжение прямого смещения 0,6 В вызывает ток около 1 мА, а при напряжении 0,8 В ток возрастает до 100 мА.

Прямая и обратная характеристики типичного маломощного кремниевого диода показаны на графике зависимости тока от приложенной э.д.с. на рис. 1.11. Из графика видно, что кремниевый переход практически не проводит ток, пока э.д.с. прямого смещения не превышает 0,5 В. У германиевых переходов эта величина меньше и составляет 0,2 В.

Из сказанного следует, что ток может свободно протекать через диод в одном направлении, а в другом направлении диод представляет собой почти бесконечное сопротивление. Такая односторонняя характеристика указывает на важное применение диодов: выпрямление, преобразование переменного напряжения в постоянное.

 

Лавинный пробой

 

Хотя при обратном смещении диод ведет себя как изолятор, дальнейшее увеличение приложенного напряжения приводит к ситуации, когда переход вдруг начинает проводить (рис. 1.12). Происходит это из-за электронов теплового происхождения, приобретающих за счет электрического поля в обедненном слое энергию, достаточную для образования новых пар электрон-дырка при соударении с атомами кремния. Эти вновь образовавшиеся носители затем сами создают свободные носители и лавина нарастает. Процесс не приводит к разрушению перехода, если ограничить ток и тем самым не допустить его перегрева. Лавинный пробой может происходить при напряжениях от 5 В до 1000 В и выше. Напряжение пробоя зависит от конструкции диода и степени легирования кремния. Значением напряжения пробоя

ограничивается обратное пиковое напряжение в выпрямителях.

Выпускаются специальные диоды с низким напряжением пробоя, которые называются зенеровскими, по имени Карла Зенера, который в 1934 году открыл механизм электрического пробоя. Зенеровские диоды (стабилитроны - Прим. переев) обычно имеют очень высокую степень легирования, создающую большую концентрацию основных носителей и позволяющую обедненному слою оставаться тонким даже при обратном смещении перехода. В результате градиент потенциала становится настолько большим, что пробой может произойти при обратном напряжении менее 3 В. Очень крутая характеристика пробоя, показанная на рис. 1.12, говорит о том, что

падение напряжения на диоде в режиме пробоя остается почти постоянным.

при изменении обратного тока в широком диапазоне. Поэтому, стабилитроны используются для стабилизации выходного напряжения в источниках питания. Строго говоря, понятие зенеровского пробоя включает в себя туннельный эффект при преодолении потенциального барьера и применимо только к диодам с напряжением пробоя менее 5 В, а при напряжении пробоя более 5 В диоды правильнее называть лавинными.

 

Емкость перехода и варикапы

 

Диод, смещенный в обратном направлении, ведет себя как небольшой

конденсатор с типичным значением емкости 2 пФ для маломощного кремниевого диода. Обедненный слой ведет себя как диэлектрический изолятор между проводящими «пластинами» п- и р-типа. Кроме того, с ростом смещающего напряжения емкость немного падает, поскольку обедненный слой расширяется. Путем соответствующего легирования создаются специальные диоды — варикапы, для которых типичным является изменение емкости от 10 пФ до 2 пФ при увеличении обратного напряжения от 2 В до 30 В. Такие диоды широко используются при настройке радиоприемников и телевизоров в диапазоне метровых и дециметровых волн. Устройство для электронного управления емкостью конденсатора настройки часто представляет собой специальную схему (схема автоматической подстройки частоты), которая фиксирует настройку на желаемую станцию автоматически.

 

 

Транзистор [4]

 

Введение

 

Биполярный транзистор состоит из двух р-п переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1.13 показана самая простая конструкция п-р-п транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупроводника р-типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями п-типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона.

 

Принцип действия транзистора

 

На рис. 1.14 показан транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером.

В схеме, приведенной на рис. 1.14(a), ток базы не течет, а в схеме на рис. 1.14(A) переключатель 5 замкнут, позволяя току из батареи В₁ течь в базу транзистора. Сначала рассмотрим схему на рис. 1.14(a). Важно отметить, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении и имеющийся потенциальный барьер препятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая утечкой, можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю. Теперь рассмотрим, что произойдет, когда ключ S замкнут (рис. 1.14(A)). Переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении, а переход коллектор-база остается смещенным в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера п-типа посредством диффузии проходят по базе р-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор. Таков принцип действия транзистора.

 

 

Следующий момент требует объяснения. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе р-типа в процессе диффузии в сторону коллектора? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеется лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базовой батареи В₂ Батарея В₁ является источником дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока (hfE). Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизительно 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100.

Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора. Ранее упоминалось, что при смещении р-п перехода в прямом направлении текущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы пока учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, поскольку область эмиттера п-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, поскольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве.

 

Эффекты второго порядка

 

На рис. 1.15 показан график зависимости коллекторного тока от тока базы для маломощного кремниевого транзистора: наблюдается линейная зависимость I_С от I_В в широком диапазоне значений коллекторного тока. Однако при малом токе базы коэффициент усиления тока несколько уменьшается. Этот эффект можно объяснить, рассматривая поведение электронов в базе: при очень малом базовом токе ничто не способствует электронам, попавшим из эмиттера в базу, достичь коллектора; только приблизившись к обедненному слою коллектор-база, они затягиваются полем. До этого электроны, совершая случайные блуждания, просто диффундируют сквозь базу, и любой из них может стать жертвой рекомбинации с какой-нибудь встретившейся дыркой. При больших значениях базового тока условия для электронов лагоприятнее. Дырки, инжектируемые в виде базового тока, создают небольшое электрическое поле в базе, которое помогает электронам в их движении к обедненному слою. Таким образом, при умеренных токах коллектора (порядка 1 мА) коэффициент усиления тока будет больше, чем при малых токах коллектора (порядка 10 мкА).

При очень больших токах коллектора, когда заселенность базы дырками становится слишком большой, усиление начинает падать. База ведет себя так, как будто она легирована сильнее, чем это есть в действительности, так что значительная часть тока, текущего через эмиттерныи переход, состоит из дырок, движущихся из базы в эмиттер так же, как полезные электроны, двигающиеся в другом направлении, к коллектору. Таким образом, все большая и большая часть базового тока является «пустой породой» и поэтому коэффициент усиления тока падает. Этот эффект важен в мощных усилителях, где он может приводить к искажению формы сигнала при больших токах коллектора.

В связи с тем, что зависимость коллекторного тока от тока базы является нелинейной, существуют два определения для коэффициента усиления тока транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления постоянного тока получается просто делением тока коллектора на ток базы; его обозначают h_FE, В или β' и он важен для переключающих схем. Однако в большинстве случаев, когда речь идет об усилении, мы имеем дело только с небольшими приращениями коллекторного тока, и более подходящим способом определения коэффициента усиления тока является отношение приращения коллекторного тока к приращению тока базы, которое называется коэффициентом усиления тока h_fe или β в режиме малого сигнала. Из рис. 1.15 следует, что:

Для большинства практических целей можно считать, что h_FE и h равны.

 

Ток утечки между коллектором и базой

 

Хотя переход коллектор-база смешен в обратном направлении, все же существует очень небольшой ток утечки из коллектора в базу, обозначаемый Iсвo, поскольку он измеряется с разомкнутой цепью эмиттера. В кремниевом транзисторе при комнатной температуре I_СВ0 очень мал, обычно менее 0,01 мкА. Однако в случае, когда транзистор включен в схему с общим эмиттером и цепь базы разорвана, как показано на рис. 1.14(a), ток I_СВO протекающий по переходу коллектор-база, должен течь в эмиттер, для которого он неотличим от внешнего тока базы. Таким образом, I_СВ0 усиливается транзистором, и ток утечки между коллектором и эмиттером возрастает до значения I_СВ0 = h_FEI_CB0, которое может, доходить до 1 мкА. Поскольку ток I_СВ0 в значительной степени является результатом теплового нарушения связей, он увеличивается приблизительно вдвое с ростом температуры на каждые 18 градусов Цельсия. Когда I_СВ0 становится сравнимым с нормальным током коллекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые р-п переходы могут работать до 200 °С, а германиевые, имеющие много больший ток утечки, только до 85 °С.

Когда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами I_СВ0 и 1_СЕ0 можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатной температуре B0 °С) ток 1_СВ0 имеет значение порядка 2 мкА, так что при h_fE = 100 ток 1_СЕ0 будет равен 200 мкА. Этот относительно большой ток утечки является той причиной, по которой германиевые транзисторы вышли из употребления, за исключением специальных целей, когда требуется малая разность потенциалов на германиевом р-п переходе, смещенном в прямом направлении.

 

 

п-р-п и р-п-р транзисторы

 

Описание работы транзистора, данное выше, относится к наиболее распространенным п-р-п транзисторам; также легко доступны р-п-р транзисторы, очень полезные для целого ряда комплементарных схем, так как они обладают характеристиками, идентичными с п-р-п транзисторами, но требуют напряжения питания противопо-ложной полярности. Тогда как в п-р-п транзисторе ток коллектора состоит из электронов, в р-п-р транзисторе он состоит из дырок. Аналогично, ток базы является электронным током, а не дырочным. На рис. 1.16 показана структура р-п-р транзистора и его условное обозначение.