Загальна характеристика напівпровідників

Напівпровідникові прилади

Загальна характеристика напівпровідників

 

По здібності проводити електричний струм всі речовини в природі ділять на три групи: провідники діелектрики і напівпровідники. Характерними властивостями напівпровідників є різко виражена залежність питомої електричної провідності від температури, кількості домішок, світла та електричного поля. До напівпровідників належать речовини ширина забороненої зони у яких при Т=300К лежить в межах від 0,5 - 3,5 ЕВ.

кремній ΔЕ=1,12 ЕВ

германій ΔЕ=0,75 ЕВ

арсенід галію ΔЕ=1,43 ЕВ

карбід кремнію ΔЕ=2,4-3,4 ЕВ

Найбільш перспективними є нові напівпровідники ширина забороненої зони, яких знаходиться в межах до 6,1 ЕВ.

У напівпровідникових приладах використовуються ефекти, обумовлені переміщенням заряду в твердому тілі. Вони призначені для перетворення, підсилення та генерації електричних сигналів. Параметри напівпровідникових приладів визначаються геометричними розмірами і властивостями напівпровідників, які використовуються для виготовлення приладів. В сучасних умовах в основному використовуються германій, кремній, арсенід галію і карбід кремнію.

До напівпровідників відносять також селен, телур і різні сульфіди.

Всі напівпровідникові прилади, які використовуються в електронній техніці розподіляють на групи:

діоди – це прилади, які мають один випрямляючий контакт(перехід) і два омічних контакти

транзистори – це прилади, які мають не менше двох випрямляючих контактів (переходи) і три або більше омічних контактів.

тиристори, які мають не менше трьох випрямляючих контактів(переходів) і декілька омічних контактів в залежності від призначення і принципу дії приладу.

якщо тиристор має два омічних контакти і три випрямляючих контакти, то він називається диністором або перемикаючим діодом.

тиристори – управляючі діоди вони мають додатковий вивід, по якому відбувається управління переключенням діоду.

семістори – мають чотири випрямляючих переходи і можуть діяти у двох напрямах.

Основою любого напівпровідникового приладу є р-n- перехід, або інші переходи, які мають односторонню провідність.

 

Типи переходів

 

Найбільш часто для виготовлення напівпровідникових приладів використовуються переходи, які створюються в результаті металургійного контакту між напівпровідниками з різною провідністю. Такий контакт отримав назву р-n-перехід. В залежності від степені легування (кількості домішки) р-n переходи діляться на 2 групи.

симетричний р-n- перехід, який створений напівпровідниками, в яких кількість домішок акцепторів і донорів приблизно однакова.

n_n ≈ p_p – симетричний перехід.

несиметричний перехід – створений напівпровідниками, степінь легування яких відрізняється на 2-3 порядки.

n_n>>p_p або p_p>>n_n несиметричний перехід.

Несиметричний перехід є основою любого напівпровідникового приладу. Розглянемо процеси що відбуваються при контакті напівпровідників з різною провідністю рис. 1.

 

Рисунок 1 Електричні процеси в р-n – переході

 

Крім того переходи поділяють на різкий і плавний переходи. Під різким переходом розуміють перехід у якого зміна концентрації носіїв заряду менше дифузійної довжини. У плавному – навпаки – зміна концентрації носіїв заряду рівна або більше дифузійної довжини.

При контакті двох напівпровідників з різною провідністю відбувається під дією градієнта концентрації дифузія носіїв із одного напівпровідника в інший. Електрони із n–напівпровідника рухаються в p–напівпровідник і займають вільні зв’язки в кристалічній гратці. В результаті цього на границі створюються позитивно заряджені іони в n – напівпровіднику і негативно заряджені іони в p –напівпровіднику. В результаті дифузії на границі двох напівпровідників створюються два збіднених шари і різниця потенціалів Е _диф.

Дифузійна напруга Е _диф відповідає типу напівпровідника і концентрації домішок. В зв’язку з тим, що рівень донорних і акцепторних носіїв заряду знаходиться на дні забороненої зони і наверху, а рівень Фермі для всього напівпровідника повинен знаходитися на одному рівні, то на межі двох напівпровідників з різними провідностями відбудеться скривлення енергетичних рівнів. Контактну різницю потенціалів можна визначити, виходячи із повної енергії електрона, енергетичних рівнів або концентрації носіїв заряду донорної і акцепторної домішок.

Отримаємо:

Розділимо ліву і праву частини рівняння на заряд електрона отримаємо

- температурний потенціал

n_n0, n_p0 – кількість носіїв заряду в рівноважному стані

Для зручності розрахунку часто користуються формулами, пов’язаними із рівнем забороненої зони (∆Е), ефективною концентрацією носіїв заряду (N_с, N_в) і концентрацію в рівноважному стані.

де N_с - ефективна зона станів на 1см³ в зоні провідності

N_в - ефективна зона станів на 1см³ в валентній зоні

Дифузійною довжиною називають відстань у напівпровідників, на якій концентрація носіїв заряду змінюється в е =2,71 раз.

Пробій p-n-переходів

В p-n-переходах існує три основних типи пробоїв рис.6.

 

Тунельний пробій p-n-переходу.

Спостерігається у напівпровідникових p-n-переходів, створених із матеріалів з малою забороненою зоною і підвищеною концентрацією домішок. Тунельний пробій використовується в низьковольтних стабілітронах, при цьому пробої падіння напруги на ньому практично залишається постійним при зміні струму

.

Лавинний пробій.

Відбувається в переходах створених із напівпровідників з низькою концентрацією домішок і високою забороненою зоною (кремній, арсенід галію) за рахунок широкого p-n-переходу, який буде значно більше дифузійної довжини. Електрони, рухаючись з великою швидкістю ударяють зустрічний атом, вибивають вільний електрон, і починається лавинний процес створення додаткових носіїв заряду. Зовнішній струм буде при цьому пробої обмежуватися опором навантаження. Падіння напруги на p-n-переході практично залишається постійним при змінах струму в колі. При відключенні зовнішньої напруги властивості p-n-переходу при тунельному і лавинному пробоях відновлюються, якщо був обмежений стум в колі зовнішнім опором.

 

 

 

Рисунок 6 Електричні процеси в р-n – переході при підключеній

зовнішній напрузі в зворотному напрямі та пробої

 

Тепловий пробій.

На любому переході, якщо кількість тепла, яка відводиться від p-n-переходу менше кількості тепла, що виділяється, температура підвищується, збільшується кількість носіїв заряду (термічної генерації); і наступає незворотний процес (вигорання, сплавлення) переходу і прилад виходить з ладу.

 

Діоди

 

Діод – це прилад, який має один випрямляючий перехід і два омічних виводи.

В залежності від технології виготовлення діоди поділяються на сплавні, точкові, епітаксиальні, діоди з дифузійною базою та інші.

За функціями призначення діоди поділяються на випрямляючі, універсальні, імпульсні, перемикаючі, детекторні, стабілітрони, тунельні діоди Ганна та інші.

За частотними властивостями діоди діляться на:

Низькочастотні (до 100-150 кГц)

Середньо частотні (до 1-2 мГц)

Високочастотні (більш ніж 1 мГц)

Надвисокочастотні НВЧ (100-1000 мГц)

 

Випрямні площинні діоди

Це діоди, які використовуються для перетворення змінного струму низької частоти в струм постійного напряму. В залежності від призначення діоди виготовляють із германію або кремнію.

 

Германієві діоди

Технологічно виготовляються шляхом плавлення в германії провідністю типу n – індію. Площа p-n-переходу залежить від струму, який може проходити через p-n-перехід. Розраховують цю площу виходячи із допустимої щільності струму, яка для германію становить 100 А/см² . Виходячи з цього германієві діоди виготовляються на робочі струми I_д = 0,3 – 1000A.Основна перевага цих діодів – дуже мале падіння напруги при включенні в прямому напрямі, якщо сильно легований напівпровідник. Тому пряме падіння напруги в германієвім діоді не більше ніж 0,3 – 0,4 В.

І_д=0,3-1000А, U_зв ®400В, Т_max=(75-85) ^oC, f_max до 50кГц.

 

Рисунок 8 Вольт-амперна характеристика діода при різних температурах

 

При збільшенні температури навколишнього середовища зворотна напруга зменшується за рахунок збільшення носіїв заряду в переході і поблизу p-n-переходу, наслідком чого являється зменшення ширини p-n-переходу і в нормальних умовах ця напруга не перевищує 400 В для діоду. При прямому включенні при малих струмах зі збільшенням температури зменшується падіння напруги на діодах. При великих струмах в потужних діодах пряме падіння напруги буде залежати від опору бази, який збільшиться при збільшенні температури за рахунок зниження рухливості заряду і пряме падіння напруги може збільшуватися.

Германієві діоди в зворотних напрямах мають струм насичення, який змінюється при зміні температури. У германієвих діодів є тільки тепловий пробій, який обумовлений теплотою, яка виділяється на діоді при проходженні зворотного струму, зі збільшенням температури збільшується зворотній струм і зменшується зворотна максимальна напруга пробою. Вплив температури на параметри діода характеризують температурним коефіцієнтом напруги, як відношення приросту напруги до приросту температури.

ТКU – температурний коефіцієнт напруги.

(для германієвих діодів).

 

Кремнієві діоди

Технологія виготовлення кремнієвих діодів, така ж як і германієвих діодів, але допустима щільність струму в 2 рази більше (200А/см²).

Виготовляються на допустимий струм 0,5 – 1600А, за рахунок великої ширини забороненої зони максимальне падіння напруги на діоді досягає 1,5 В. Зворотна напруга у кремнієвих діодів набагато більше і досягає до 1600В і зі збільшенням температури збільшується зворотна напруга. Це пов’язано з тим, що у кремнієвих діодів основним являється лавинний пробій, а зі збільшенням температури рухливість носіїв заряду зменшується, відповідно для створення лавинного процесу розмноження носіїв треба збільшити напруженість електричного поля в p-n-переході, щоб електрон здобув енергію, необхідну для іонізації при співударі.

Частотні властивості кремнієвих діодів кращі і максимальна робоча частота досягає 100 кГц, максимальна робоча температура до 125⁰С.

Для перетворення високої напруги германієві діоди вмикаються послідовно і для вирівнювання зовнішньої напруги їх обов’язково необхідно шунтувати опором, тому що параметри діодів можуть різко відрізнятися один від одного. Кремнієві діоди мають більш постійні параметри, тому з них виготовляють для роботи в високовольтних електричних колах випрямні стовпи, де послідовно включено декілька діодів без шунтування. Такі прилади виготовляються на напругу до 10кВ.

Крім германієвих і кремнієвих діодів застосовуються селенові пластини. Вони виготовляються із пластин алюмінію або заліза, на які шарами наносяться нікель і селен. Алюміній і нікель створюють підкладку, після цього при температурі порядку 215⁰С наноситься шар селену, який перетворюється в аморфний стан, а для створення випрямляючого переходу на селен наносяться легкоплавкі матеріали (кадмій, вісмут). Після цього проводять формовку пластини, при цьому збільшують прямий струм, при якому відбувається спікання матеріалу, тобто формується p-n-перехід. Така пластина має зворотну напругу U_зв приблизно 60В, щільність струму – декілька десятків А/см².

Пластини некритичні, тому їх послідовно набирають до тієї напруги, яка необхідна для нормальної роботи. Пробій пластини відбувається не повністю, а тільки місцями, при цьому за рахунок розплавлення нанесених компонентів місце пробою затягується. При довгочасному зберіганні пластини розформовуються, і тому після зберігання необхідно провести формовку, а при роботі в схемі формовка відбувається за 2 –3 хвилини після включення.

 

Високочастотні діоди

 

До них відносять точкові і імпульсні.

Точкові виготовляються із напівпровідників типу n або p шляхом в плавлення металевого виводу. В зв’язку з тим, що рухливість носіїв заряду в металах більше ніж у напівпровідників, то навколо контакту створюється сферичний p-n-перехід із дуже малою площею. Сам напівпровідник має низьку степінь легування, в зв’язку з цим пряме падіння напруги при максимально допустимому струмі досягає одного двох вольт. Вони мають наступні технічні характеристики

І_д=100мА, U_зв®350В, U_пр®(1-2)В, С_бар®1пФ, f_max до 150МГц.

 

Рисунок 9 Вольт-амперна характеристика високочастотного діода

 

Крім бар’єрної ємності на частотні властивості впливає рекомбінація носіїв заряду, інжектованих із емітера. На частотах більше 150 мГц рекомбінація не встигає відбутися, тому діод втрачає односторонню провідність.

 

Імпульсні діоди

Імпульсний напівпровідниковий діод – це прилад, який застосовується для роботи в імпульсних режимах. Робота таких діодів відбувається при великих сигналах. При переключенні діодів з прямої напруги на зворотну в початковий момент часу можна спостерігати великий зворотний струм, який обмежується тільки послідовно ввімкненим опором бази. Інжектовані носії заряду із емітера в базу при прямому включенні повинні перейти в інший напівпровідник, або рекомбінувати в базі. Для цих процесів потрібний час, тому після переключення зворотний струм буде набагато більше зворотного струму насичення і для імпульсних діодів додатково вводиться параметр - час відновлення зворотного струму насичення, це час який проходить від початку переключення діодів до часу встановлення зворотного струму насичення. Якщо на діод подається імпульс струму, то струм миттєво змінитися не може до того часу, поки не відбудеться накопичення збиткових носіїв заряду в області бази. Виходячи з цього передній фронт імпульсу струму буде залежати від швидкості накопичення збиткових носіїв заряду і буде мати не прямокутну форму. В залежності від часу відновлення зворотного струму імпульсні діоди діляться на дві групи:

 

Рисунок 10 Перехідні процеси та еквівалентна схема імпульсного діода і позначення діода Шоткі

 

1) швидкісні, час відновлення: 0,1мкс <t_відн.<0,1мс

2) надшвидкісні: t_відн.<0,1мкс

Швидкісні діоди виготовляють із кремнію і час відновлення визначається перехідними процесами заряду і перезаряду ємності переходу.

Надшвидкісні виготовляються із переходом Шоткі, це пов’язано з тим, що такий діод має гетеро перехід, малу ємність (менше 1 nФ) переходу, тут не відбувається накопичення заряду, якому необхідно потім рекомбінувати або перейти із бази в інший провідник. Діоди із переходом Шоткі можуть працювати на частотах більше 1 мГц, мають зворотну напругу до 50 В і прямий імпульсний струм до 10 А.

 

Стабілітрони

При лавинному і тунельному пробоях p-n-переходу на зворотній ділянці вольт-амперної характеристики отримують ділянку вольт-амперної характеристики, у якої при зміні струму в деяких межах напруга практично залишається незмінною. Це використовується в діодах спеціального призначення, які отримали назву опорних діодів Зенера, або стабілітронів. У низьковольтних стабілітронів (до 6В) застосовується тунельний або змішаний пробої. Стабілітрони виготовляють із сильно легованого кремнію для того, щоб товщина p-n-переходу була якомога меншою. В результаті відбувається зміщення енергетичних рівнів напівпровідника і розщеплення енергетичних рівнів домішок так, що вони будуть знаходитися безпосередньо на рівні зони провідності, і при напрузі порядку (1–5)В відбувається тунельний пробій. У стабілітронів з напругою більше 6В відбувається лавинний пробій. Ці стабілітрони виготовляються із слабо легованого кремнію і

 

Рисунок 11 Вольт-амперна характеристика опорного діода та його позначення на схемах

 

при збільшенні зворотної напруги зростає напруженість електричного поля p-n-переходів, що дає можливість вільному електрону отримати енергію достатню для іонізації. При цьому наступає лавинний процес розмноження носіїв заряду. На початку цього процесу виникають шуми і для нормальної роботи стабілітрона необхідно збільшити струм для знешкодження шумів.

Основні параметри стабілітронів:

1) мінімальний і максимальний струми стабілізації

мінімальний (1–10)мА максимальний 50мA – 2000мA

2) напруга стабілізації

мінімальна 1В максимальна до 1000В

3) диференційний опір стабілітрона, який визначає якість стабілітрона. Чим менше диференційний опір, тим краще стабілітрон.

R_диф. = 0,1 Ом – 200 Ом

 

 

4)температурний коефіцієнт

Рисунок 12 Схема ввімкнення опорного діода

 

При збільшенні температури за рахунок процесів термічної генерації зменшується напруга. У стабілітронів з лавинним пробоєм рухливість носіїв зменшується і відповідно для створення лавинного розмноження необхідно збільшити напругу, щоб забезпечити електрон достатньою енергією для іонізації атома.

Рисунок 13 Вольт-амперна характеристика опорного діода

 

 

Для стабілізації напруги до 1В застосовуються спеціальні кремнієві діоди, які мають ділянки з приблизно постійною напругою на вольт-амперній характеристиці, такі діоди називаються стабісторами.

 

Тунельні діоди

 

Тунельний діод – це напівпровідниковий діод, створений на основі виродженого напівпровідника, який на вольт-амперній характеристиці прямого включення має ділянку з від’ємним опором.

В зв’язку із великою концентрацією домішок в областях, які прилягають до електронно-діркового переходу, створюється дуже вузька площа переходу, яка на 2-3 порядки менше, ніж в звичайному діоді. Через цю площу можуть вільно проходити носії заряду, і при відсутності зовнішньої напруги через такий p-n-перехід будуть відбуватися переміщення електронів із n – області в p – область і назад. При динамічній рівновазі через p-n-перехід проходять два однакові струми. При малій зовнішній напрузі відбувається зменшення висоти потенційного бар’єру і

зміщення енергетичної діаграми n – області по відношенню до енергетичної діаграми р – області. Вільні енергетичні рівні р – області будуть знаходитись на одній висоті з енергетичними рівнями n – області, зайнятими електронами. За рахунок цього збільшиться перехід електронів із n – області в р – область і струм буде підвищуватись. При деякій напрузі (напруга піка) струм за рахунок тунелювання електронів із n – області в р – область досягне свого максимального значення і при подальшому підвищені напруги тунельний струм через p-n-перехід буде падати, тому що кількість електронів, які являються вільними в n – області, буде зменшуватися, і при деякій напрузі, яка називається напругою впадини, в ідеальному тунельному діоді струм повинен бути рівний нулю, за рахунок зміщення

 

Рисунок 14 Вольт-амперна характеристика тунельного діода

 

енергетичних рівнів n і р – областей для вільних електронів. В реальному діоді через нього буде проходити інжекція неосновних носіїв заряду, обумовлена термічною генерацією пар електрон – дірка. Із збільшенням напруги струм тунельного діода буде зростати за рахунок інжекції, як і в звичайному діоді. При зворотному включенні за рахунок високого степеня легування напівпровідниковий опір його буде невеликий і явно вираженої зворотної вольт-амперної характеристики не буде.

Основні параметри тунельного діоду.

* напруга впадини – це напруга при якій струм тунельного діода досягає мінімального значення, і в залежності від матеріалу лежить в межах:

для германію: U_в=250 – 350 мВ

для кремнію: U_в=400 – 500 мВ

для арсеніду галію: --450-550 мВ

* пікова напруга – коли струм досягає максимального значення:

германієві: U_n = 30 – 60 мВ кремнієві і арсенід галієві: U_n = 100 – 150 мВ

* коефіцієнт відношення пікового струму до струму впадини:

германієві ≈ 3 – 6 кремнієві і арсенід галієві: > 10

За своїм призначенням тунельні діоди ділять на 3 групи: підсилюючі, генераторні, перемикаючі

Позначення діодів

 

Відповідно до державних стандартів для позначення діодів застосовується 6 позицій:

 

1) буква або цифра, які характеризують матеріал з якого виготовлений діод:

Г – 1 – германій

К – 2 – кремній

А – 3 - арсенід галію

2) буква, яка визначає клас діодів:

Д – універсальні

В – варикапи

С – стабілітрони

И – тунельні діоди

А – діоди НВЧ

3) три позиції – цифри, які визначають призначення діодів:

101 – 399 – випрямні або перетворюючі діоди низької частоти

401 – 499 – універсальні діоди

501 – 599 – імпульсні діоди

*У стабілітронів перша цифра показує потужність в ватах, дві останні – напругу стабілізації.

4) буква, яка характеризує параметри діоду в його класі.

Транзистори

Транзистор - напівпровідниковий прилад, який застосовується для підсилення потужності малопотужних електричних сигналів і генерації електричних коливань.

В залежності від принципу роботи і фізичних процесів, які відбуваються в транзисторі, вони діляться на дві групи:

1) біполярні транзистори (БПТ), які в залежності від чергування напівпровідників, діляться на дві підгрупи

- p-n-p – транзистори

- n-p-n – транзистори

основним для цих транзисторів являється створення струму двома видами носіїв заряду – електронів і дірок.

2) польові (уніполярні) транзистори. Носіями для створення струму є електрони або дірки. Ці транзистори теж діляться на дві підгрупи:

- польові транзистори з керуючим p-n-переходом

- польові транзистори ізольованим затвором

а) польові транзистори з ізольованим затвором і індукованим каналом

б) польові транзистори з ізольованим затвором і вбудованим каналом.

Як елементи схеми всі транзистори поділяються на групи в залежності від робочої частоти:

- низькочастотні

- високочастотні

- надвисокочастотні (НВЧ)

по потужності:

- малої потужності

- середньої потужності

- великої потужності

 

Біполярні транзистори

Біполярним транзистором називають напівпровідниковий прилад, який має два або більше випрямляючих переходи і три або більше не випрямляючих переходів – виводів.

Рисунок 19 Структура біполярного транзистора

w – Активна ширина бази

 

У біполярних транзисторів один перехід може керувати іншим. Для створення двох p-n-переходів, які часто використовуються у транзисторах, застосовуються напівпровідники з різною концентрацією домішок. Найбільш легований домішками шар напівпровідника, називається емітером і відповідно він має найменший об’ємний питомий опір. Середній шар напівпровідника, який найменш легований і має відповідно найбільший питомий опір, називається базою. Перехід, створений напівпровідниками між базою і емітером називається емітерним переходом, і при нормальному вмиканні транзистора цей перехід вмикається в прямому напрямі. Третій шар напівпровідника, який має таку ж провідність, що і емітер, але приблизно на порядок менше має степінь легування домішками, називається колектором, а перехід колекторним, і при нормальному вмиканні транзистора вмикається в зворотному напрямі.

В залежності від того, яку провідність має база, транзистори діляться на дві групи.

 

Рисунок 20 Типи біполярних транзисторів

 

Область бази, яка знаходиться між двома p-n-переходами, називається активною. У нормально виготовлених транзисторів активна ширина області бази повинна бути набагато менше дифузійної довжини носіїв заряду. Основні процеси в транзисторі визначаються процесами, які відбуваються в базі. При рівномірному легуванні напівпровідника бази домішками, в ній відсутнє електричне поле, а відповідно рух носіїв заряду відбувається тільки за рахунок дифузії, і транзистори називають без дрейфовими або дифузійними.

При нерівномірному легуванні бази домішками, в базі присутнє електричне поле, яке створюється наявністю градієнта концентрації носіїв заряду, це поле сприяє руху носіїв заряду і транзистори називаються дрейфовими.

 

Схеми вмикання транзисторів

 

Транзистор як елемент схеми може бути ввімкнений трьома різними способами в залежності від того, який із електродів є спільним.

 

Схема з спільною базою

 

В схемі з спільною базою вхідною напругою і вхідним струмом являються напруга емітер-база U_ЕБ і струм емітера І_Е. Змінюючи вхідну напругу можна визначити струм емітера І_Е (кількість носіїв). Вихідною напругою і вихідним струмом буде напруга колектор – база U_КБ і струм колектора І_К. Загальний вихідний струм транзистора буде рівний

І_К=aІ_Е + І_КБо.

 

Ця схема має найменший вхідний опір, який визначається опором p-n-переходу, ввімкненого в прямому напрямі. Має дуже великий вихідний опір, який визначається опором зворотно ввімкненого p-n-переходу, а відповідно буде мати великий коефіцієнт підсилення по напрузі, коефіцієнт підсилення по струму відсутній (К_І<1), коефіцієнт підсилення по потужності: К_Р=К_U·К_І.

Рисунок 22 Схема ввімкнення транзистора з спільною базою

 

Якщо ввхідне коло ввімкнути малопотужний сигнал змінної напруги, то в транзисторі будуть відбуватися такі процеси. За рахунок градієнта постійної напруги носії заряду будуть розганятися, отримуючи додаткову енергію. Змінна складова завжди протилежно направлена постійній складовій, тому носії заряду будуть гальмуватися змінною складовою, віддаючи свою кінетичну енергію, отриману за рахунок постійної складової. Таким чином, буде відбуватися перетворення енергії постійного струму в енергію змінного струму, тобто підсилення змінної складової в коефіцієнт підсилення К раз.

 

Схема з спільним емітером

Вхідною напругою і струмом в схемі з спільним емітером являються напруга база-емітер і струм бази. Вихідною напругою і струмом являються напруга колектор-емітер і струм колектора. В цьому випадку схема характеризується коефіцієнтом підсилення по струму b. Схема має великий вхідний і вихідний опори великі коефіцієнти підсилення по струму, напрузі і потужності, тому вона є основною схемою ввімкнення транзистора.

Рисунок 23 Схема ввімкнення транзистора з спільним емітером

 

Між коефіцієнтами існує зв’язок, який можна знайти враховуючи, що струм емітера дорівнює сумі струмів бази та колектора І_е =І_к + І_б

 

Схема з спільним колектором

В схемі з спільним колектором вхідною напругою і струмом являються напруга база-колектор і струм бази. Вихідною напругою і струмом являються напруга емітер-колектор і струм емітера.

Рисунок 24 Схема ввімкнення транзистора з спільним колектором

 

Така схема має найбільший коефіцієнт підсилення по струму, рівний b+1. Коефіцієнт підсилення по напрузі менше одиниці, крім того, ця схема має найбільший вхідний опір і найменший вихідний, тому такі схеми застосовують для узгодження високого опору джерела вхідного сигналу і низьким опором навантаження (і в стабілізаторах напруги).

Система z – параметрів

 

Для того, щоб представити транзистор як еквівалентний чотириполюсник, необхідно:

1) Вибрати робочу точку за постійним струмом. Параметри схеми розраховуються за постійним струмом і визначаються елементами схеми, які забезпечать роботу транзистора в вибраній робочій точці.

2) Розглядаючи транзистор як лінійний елемент, в вибраній робочій точці для нескінченно малих величин можна застосувати метод суперпозиції. Для цього в робочій точці за постійним струмом треба записати для нескінченно малих прирощень рівняння вольт-амперних характеристик, використовуючи ряд Тейлора. Ряд не буде мати постійної складової, тому що початок координат перенесений в робочу точку і вищих похідних, а тільки першу, тому що ми прийняли вольт-амперну характеристику за ділянку прямої. Для системи z – параметрів скористаємося наступною системою рівнянь, якою можна описати транзистор як чотириполюсник:

Застосуємо ряд Тейлора для функції двох змінних і запишемо систему рівнянь в часткових похідних:

Часткові похідні приймаємо за коефіцієнти рівнянь z_i. Ці параметри мають розмірність опорів[Ом]. Приймемо що вхідний сигнал змінюється по синусоїдальному закону, тоді похідні теж будуть змінюватися по синусоїдальному закону. Для цього випадку рівняння можна записати в символічній формі. Отримаємо систему рівнянь для чотириполюсника яка відповідає другому закону Кірхгофа.

По системі рівнянь можна скласти еквівалентну схему для транзистора як чотириполюсника рис.32:

 

Рисунок 32 Еквівалентна схема транзистора як чотириполюсника

де

 

Для нескінченно малих прирощень часткові похідні можна замінити кінцевими прирощеннями і визначити параметри по вольт - амперних характеристиках.

 

Фізичне значення z – параметрів:

Щоб визначити фізичні значення параметрів, розглянемо два умовні досліди відносно входу і виходу чотириполюсника

Холостий хід зі сторони виходу ∆І₂=0 отримаємо систему рівнянь.

 

З цієї системи визначимо перші два параметри чотириполюсника

– вхідний опір чотириполюсника при ХХ зі сторони виходу.

– опір прямого зв’язку між входом і виходом.

Холостий хід зі сторони входу ∆І₁=0 отримаємо систему рівнянь.

– зворотний перехідний опір при ХХ зі сторони входу.

– вихідний опір чотириполюсника при ХХ зі сторони входу.

 

Система y – параметрів

 

Для цього скористаємося системою рівнянь в якій за незалежні прийнято напруги на вході і виході, а за залежні вхідний та вихідний струми. Розмірність цих параметрів буде провідність [Cм]. По системі рівнянь запишемо похідні для функції двох змінних отримаємо:

 

 

Позначимо часткові похідні коефіцієнтами у і запишемо систему рівнянь, які відповідають першому закону Кірхгофа і по них можна скласти еквівалентну схему. Щоб визначити фізичні значення параметрів, розглянемо два умовні досліди короткого замикання відносно входу і виходу чотириполюсника

де

1) – вхідна провідність чотириполюсника при короткому замиканні зі сторони виходу.

2) – зворотна перехідна провідність при КЗ зі сторони входу.

3) – пряма перехідна провідність при КЗ зі сторони виходу.

4) – вихідна провідність при КЗ зі сторони виходу.

 

 

Рисунок 33 Еквівалентна схема транзистора як чотириполюсника

 

По системі рівнянь можна скласти еквівалентну схему для транзистора як чотириполюсника рис.33:

 

Система h – параметрів

Найбільш вживаною при визначенні параметрів транзистора як чотириполюсника є система яка називається гібридною. Після відповідних перетворень по цій системі можна визначити параметри і скласти еквівалентну схему. Для цього скористаємося наступною системою рівнянь:

 

Позначимо похідні відповідними коефіцієнтами і отримаємо систему рівнянь

Для визначення фізичних значень параметрів необхідно зробити два досліди

 

Коротке замикання зі сторони виходу ∆U₂=0 отримаємо:

– вхідний опір чотириполюсника.

– коефіцієнт передачі по струму.

Холостий хід зі сторони входу.

– коефіцієнт зворотного зв’язку.

Для нормально виготовлених транзисторів лежить в межах від 0,001 до 0,1.

В практичних розрахунках часто не враховується.

– вихідна провідність.

 

По отриманій системі рівнянь складають еквівалентну схему.

 

Рисунок 34 Еквівалентна схема транзистора як чотириполюсника

 

Фізична модель транзистора

Активний режим

 

При аналізі роботи транзистора в цих режимах для спрощення можна робити деякі припущення. Для активного режиму, коли виконується умова U_K<0, |U_K|>>φ_T, 1-α_N≈0 отримаємо систему рівнянь по якій побудуємо вольт-амперні характеристики.

(8)

Вхідні вольт-амперні характеристики

 

.

У реального транзистора необхідно врахувати вплив відповідних опорів напівпровідників, тому для активного режиму І_К буде:

, – опір колектора.

 

 

Рисунок 37 Теоретичні вхідні вольт-амперні характеристики

 

Крім того, необхідно врахувати модуляцію ширини бази