У какого транзистора входное сопротивление максимальное

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом: принцип работы и применение

В статье кратко описано устройство полевых транзисторов с управляемым p—n-переходом и приведены схемы их использования. Статья предназначена для ознакомления с транзисторами, а не для подробного изучения их особенностей и схемотехники.

Введение

Идея создания полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (JFET) принадлежит американским инженерам Джорджу Дейси (George Clement Dacey) и Йену Россу (Ian Munro Ross). В 1953 г. они создали лабораторный образец такого транзистора, однако технологические проблемы производства смогли преодолеть только в 1960 г. — наверное, с этой даты и следует отсчитывать начало внедрения в практику полевых транзисторов с p-n-переходом.

Рис. 1. Схематическое изображение транзисторов с управляющим p-n-переходом

Существуют два типа транзисторов с управляющим p-n-переходом: с p-каналом и n-каналом. Их схематическое изображение показано на рис. 1 , а на рис. 2 представлено упрощенное изображение конструкции n-канального транзистора. В областях, прилегающих к стоку и истоку транзистора, посредством дополнительного легирования созданы повышенные концентрации электронов, что уменьшает сопротивление канала в открытом состоянии.

Рис. 2. Упрощенная конструкция транзистора с управляющим p-n-переходом

Принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом (JFET)

Рис. 3. Принцип работы полевого транзистора на примере n-канального транзистора

Принцип работы полевого транзистора на примере n-канального транзистора иллюстрируется рис. 3 . При управляющем напряжении затвор-исток U _ЗИ = 0 канал находится в проводящем состоянии, основные носители (электроны) обозначены на рис. 3 точками. По мере увеличения напряжения сток-исток U _СИ будет возрастать и ток стока I _C через канал, транзистор работает в омической области.

Дальнейшее увеличение напряжения сток-исток U _СИ приводит к уменьшению свободных электронов, возникает обедненный слой. Область обедненного слоя наиболее велика вблизи стока, поскольку к стоку подключено питающее напряжение и напряженность поля там наиболее высока. Появление обедненного слоя приводит к сужению проводящего канала, поэтому при дальнейшем возрастании напряжения ток увеличивается незначительно, транзистор переходит в область насыщения. Обе области, насыщения и омическая, показаны на вольт-амперной характеристике слева на рис. 3.

Если прикладывать к затвору отрицательное напряжение U _ЗИ , область p-n-перехода расширяется в сторону канала, что приводит к сужению проводящего канала и уменьшению тока через него. При дальнейшем увеличении абсолютного значения напряжения затвора канал полностью перекрывается, проводимость прекращается, транзистор переходит в режим отсечки. Напряжение U _ЗИ , при котором наступает режим отсечки, называется напряжением отсечки U _ОТС .

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p-n-переходом при различных управляющих напряжениях U_ЗИ

На рис. 4 показаны вольт-амперные характеристики полевого транзистора с p-n-переходом при различных управляющих напряжениях U _ЗИ и соблюдении соотношений:

Ток стока при управляющем напряжении затвор-исток U _ЗИ = 0 называется начальным током стока I_C0. В большинстве случаев вольт-амперная характеристика полевого транзистора с p-n-переходом хорошо описывается выражением:

Усиление полевого транзистора характеризуется крутизной G_M, которая определяется из формулы (3) с учетом соотношения (2):

В справочных данных обычно значение крутизны полевого транзистора указывают при U _ЗИ = 0. В этом случае выражение (3) принимает следующий вид:

Преимуществом полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом является высокое входное сопротивление, ток обратно смещенного p-n-перехода очень мал и не превышает нескольких микроампер, но следует учитывать, что при возрастании температуры на 10 °С ток затвора удваивается.

К достоинствам полевого транзистора с управляющим p-n-переходом также относятся отличные частотные свойства. Полевые транзисторы униполярны, в них отсутствуют неосновные носители, а следовательно, и процесс рассасывания неосновных носителей, который заметно ухудшает частотные свойства биполярных транзисторов.

Рис. 5. Схемы включения полевых транзисторов с p-n-переходом: а) с общим истоком; б) с общим затвором; в) с общим стоком

Существуют три схемы включения полевых транзисторов. Все они изображены на рис. 5. Часто используется схема с общим истоком (рис. 5а), которая позволяет усилить мощность сигнала. Схема с общим затвором (рис. 5б) имеет низкое входное сопротивление и не усиливает сигнал, поэтому она применяется редко. Схема с общим стоком или истоковый повторитель (рис. 5в) имеет большое входное сопротивление, но коэффициент усиления напряжения практически равен 1.

Применение полевых транзисторов с p-n-переходом (JFET)

В инженерной практике полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом чаще всего применяют в аналоговых трактах совместно с операционными усилителями или в силовых схемах в качестве ключей. Вкратце рассмотрим несколько примеров применения полевых транзисторов с p-n-переходом в практических схемах.

На рис. 6 показана схема фотодиодного усилителя. Полевой транзистор с p-n-переходом используется здесь в качестве повторителя: он изолирует фотодиод от транзистора, поэтому емкость фотодиода приблизительно равная 3000 пФ «отрезается» от инвертирующего входа операционного усилителя, за счет чего заметно возрастает полоса пропускания.

Коэффициент передачи шума в рассматриваемой схеме определяется выражением:

За счет уменьшения входной емкости использование полевого транзистора позволяет также снизить шум схемы. Кроме того, полевой транзистор увеличивает входное сопротивление схемы, следовательно, уменьшает коэффициент усиления входного смещения, который определяется выражением:

Рис. 6. Схема фотодиодного усилителя

Недостаток схемы (рис. 6) заключается в том, что к фотодиоду прикладывается отрицательное напряжение, из-за чего возрастает его темновой ток, который к тому же зависит от температуры. Если пользователей интересует только переменная составляющая сигнала фотодиода, указанным недостатком можно пренебречь. Если же важна и постоянная составляющая сигнала, следует воспользоваться улучшенной схемой фотодиодного усилителя (рис. 7). В этой схеме используются два согласованных полевых транзистора в одном корпусе. Нижний транзистор является источником тока, величина тока задается сопротивлением R2 в цепи истока и выбирается таким образом, чтобы потенциал катода фотодиода был близок к нулю. Для более точной подстройки нулевого смещения можно добавить потенциометры R4 и R6.

Рис. 7. Улучшенная схема фотодиодного усилителя

Полевые транзисторы с p-n-переходом удобно использовать в качестве переменных сопротивлений, управляемых напряжением в схемах усилителя с управляемым коэффициентом усиления, или аттенюаторов. Последний вариант изображен на рис. 8. В этой схеме использован n-канальный полевой транзистор, на его затвор подается напряжение с потенциометра VR1, таким образом задается коэффициент ослабления. Возможно и иное решение, например, в качестве управляющего напряжения вместо потенциометра VR1 можно использовать пульсирующее напряжение, в этом случае мы получим простой и экономичный модулятор.

Рис. 8. Схема аттенюатора

Благодаря использованию карбида кремния (SiC) удалось получить полупроводниковые приборы с широкой запрещенной зоной, а следовательно, с повышенным нормируемым рабочим напряжением, что позволило применять их в силовых преобразователях. Сегодня производятся полевые транзисторы с нормируемым напряжением вплоть до 1700 В.

Рис. 9. Каскод c SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом

В силовых преобразователях с полевыми SiC-транзисторами с управляемым p-n-переходом последние строятся по хорошо известной еще с ламповых времен схеме каскода ( рис. 9 ). В этой схеме к относительно дорогостоящему высоковольтному SiC-транзистору добавлен обычный низковольтный недорогой кремниевый MOSFET стоимостью «пятачок на пучок». На этом же рисунке можно видеть описание режимов работы каскода.

Рис. 10. Схема суперкаскода с SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом

Увеличения нормируемого рабочего напряжения можно достичь с помощью последовательного включения нескольких полевых SiC-транзисторов с p-n-переходом. На рис. 10 показана образованная таким методом схема суперкаскода с нормируемым напряжением 6500 В. В схеме суперкаскода последовательно соединены пять полевых SiC транзисторов с управляемым p-n-переходом с рабочим напряжением 1700 В.

Сопротивления транзисторов

и примите во внимание, что переменная составляющая коллекторного тока гк=5и. Пренебрегите влиянием внутреннего сопротивления транзистора.

9.12. К пояснению сопротивления транзистора для постоянной и переменной составляющих выпрямленного тока

9.6. Определить, насколько частота колебаний транзисторного генератора отклоняется от резонансной частоты контура ( 9.1, а), если аргумент комплексной крутизны cps = 25°. Параметры контура: 1 = 80 мкГ, С=320 пФ, (2 = 50. Влиянием выходного сопротивления транзистора пренебречь.

Режим короткого замыкания по переменному току соответствует режиму, при котором напряжение в цепи не зависит от тока. Практически это осуществляется включением на вход или выход емкостного сопротивления, величина которого много меньше величины входного или выходного сопротивления транзистора. Система «/-парамет-

Далее расчет ведем по семейству входных характеристик ( 8.49,а). Поскольку у транзисторов входные характеристики расположены близко друг к другу, то в качестве рабочей входной характеристики можно принять одну из статических входных характеристик, соответствующую активному режиму, например характеристику, снятую при ?/кэ= — 5 В. Это можно сделать в том случае, если источник усиливаемых колебаний работает как генератор тока, т. е. когда внутреннее сопротивление источника колебаний значительно больше входного сопротивления транзистора. Из графика находим:

Следовательно, на нагрузке Rs создается выходной сигнал, усиленный по напряжению и мощности, так’как входной и выходной токи примерно равны, а сопротивление нагрузки во много раз больше входного сопротивления транзистора переменному току.

Параметр h\\ представляет собой значение входного сопротивления транзистора при коротком замыкании на выходе и измеряется в омах:

Транзистор в схеме с общей базой будет работать в динамическом режиме благодаря резистору ^к, включенному в цепь коллектора ( 46). Источник сигнала С/вх, включается в цепь эмиттера последовательно с источником смещения Е^. Напряжение на коллекторе определяется выражением икъ = Ек.—/к/?к. Нагрузочную прямую строят на семействе выходных характеристик транзистора аналогично построениям для схемы с общим эмиттером. Данная схема не нашла широкого применения ввиду очень низкого входного сопротивления транзистора.

Из приводимой формулы видно, что частота генерируемых колебаний зависит не только от параметров основного частотозадаю-щего контура L0C0, но и от внутреннего сопротивления транзистора (и при более строгом учете — его входных сопротивления и емкости). Поэтому при изменении температуры и напряжений источников питания изменяется и частота генерируемых колебаний.

линейного описания биполярного транзистора в статическом режиме. Она не позволяет учитывать эффекты накопления зарядов в транзисторной структуре. Введение в эквивалентную схему трех омических объемных сопротивлений позволяет повысить точность описания статических характеристик. Этими элементами схемы учитываются омические сопротивления транзистора между его рабочими областями и выводами от коллектора, эмиттера и базы.

Усилители на основе ПТ, включенных по схемам с общим истоком ( 16.31,6) и общим стоком ( 16. 31, в) имеют чрезвычайно большое входное сопротивление при работе на постоянном токе и низких частотах. При использовании сопротивлений нагрузки, существенно меньших выходного сопротивления транзистора, коэффициенты усиления по напряжению для схем с общим истоком и стоком определяются по формулам: Я„ои — = 5’П.ТЛН и Яио.с = 5птЛн/(1 + 5п.тЛн), где 5П.Т — крутизна транзистора в рабочей точке.

внутренние сопротивления транзисторов TI и Тч, а двумя другими — реЗИСТОрЫ RKi И RK2. К ОДНОЙ

Внутрисхемные соединения в МДП-ИМС могут выполняться с помощью металлизации или путем формирования диффузионных областей. Применение диффузионных межсоединений позволяет относительно просто реализовать пересечения проводников в МДП-ИМС и наиболее полно использовать площадь кристалла. При этом следует учитывать влияние паразитных сопротивлений диффузионных межсоединений. При соединении диффузионных областей последовательно с затворами транзисторов наличие паразитных сопротивлений Кд приводит только к задержке управляющих сигналов, поступающих на транзисторы. Поскольку входные сопротивления транзисторов велики (RB*^>RA), амплитуда сигналов не искажается. Если паразитное сопротивление находится в цепи истока или стока, т. е. диффузионное межсоединение включено последовательно с истоком (стоком), то его влияние оказывается более существенным. В частности, последовательное сопротивление Кд в цепи вызывает уменьшение эффективной крутизны транзистора, что приводит к ухудшению как статических, так и динамических характеристик схемы.

При малом сопротивлении источника сигнала возможно использование схемы с общей базой; при более распространенном случае, когда сопротивление источника ^г>^?вх. б, целесообразно использовать транзисторный каскад по схеме с общим эмиттером, схема которого показана на 4.13, а. Здесь с помощью сопротивлений делителя ReiRez и jR3 стабилизирован режим по постоянному току транзистора VI. С помощью сопротивления RQ устанавливается ток через транзистор V2 такой же,, как и через транзистор VI. В такой схеме в выходной цепи по переменному напряжению оказывается включенными параллельно сопротивление нагрузки RH, выходные сопротивления транзисторов VI и V2. Причем, так как через второй транзистор протекает неизменный ток, не зависящий от сигнала, его выход-

моста, двумя плечами которого являются внутренние сопротивления транзисторов 7\ и Т2, а двумя другими — резисторы RKI и RX2- К одной диагонали моста подключен источник питания Ек, а к другой — внешняя нагрузка RH. Входной сигнал постоянного или медленно изменяющегося тока прикладывается к базам обоих транзисторов (симметричный вход). Если плечи моста симметричны (транзисторы идентичны, a RKi = ЯК2) и UBX = 0, то начальные токи покоя транзисторов одинаковы. При этом напряжения на коллекторах [7к1 и UK2 относительно заземленной точки схемы также равны, поэтому разность потенциалов между коллекторами (на нагрузке RH) равна нулю. Изменение напряжения питания, температуры или воздействие какого-либо другого дестабилизирующего фактора вызывают равные приращения начальных токов транзисторов, что обусловливает равные приращения напряжений на коллекторах Д1/к1 = Д1/к2. Однако баланс моста при этом сохраняется и напряжение на нагрузке (напряжение дрейфа) равно нулю. При наличии входного сигнала (17ВХ > 0) приращения коллекторных токов, а следовательно, и напряжений на коллекторах будут равны, но противоположны по направлению, что приводит к разбалансу моста и появлению на нагрузке разности потенциалов (1/вых + 0), за счет которой в резисторе RH протекает ток усиленного сигнала.

Резисторные усилительные каскады анализировались ранее, и для них получены выражения основных параметров (/(, /(/, ^вх, /?вых), которыми можно воспользо-ваться в данном случае. Правда, каскады с ОЭ и с ОИ нагружены не на резисторные нагрузки, а на входные сопротивления каскодов с ОБ и с ОЗ. Это необходимо учитывать. Например, нагрузкой транзисторов VT2 являются крайне малые входные сопротивления транзисторов VT1, так как в первом случае транзистор VT1 включен по схеме с ОБ, а во втором — по схеме с ОЗ. В результате транзисторы VT2 обеих каскодных схем работают в режиме, близком к короткому замыканию, и усиление напряжения в этих каскадах практически отсутствует.

Данная схема по существу представляет собой мост, плечами которого являются резисторы Rm — RK^ и внутренние сопротивления транзисторов VT1 и VT2 (вместе с соответствующей частью резистора R0 и резистором Rs). К одной из диагоналей моста подведено напряжение источника питания ?к> а в другую диагональ включен нагрузочный резистор jRH, с которого снимается выходное напряжение. Резисторы Rm = Rm и Rzi — RBZ входят в делители напряжения источника питания и служат для выбора исходного режима работы каскадов. В эмиттерную цепь каждого из транзисторов включены резистор Кэ и соответствующая часть резистора R0.

Входные сопротивления транзисторов в большинстве случаев имеют малые значения (1000—3000 Ом), поэтому для разделительных конденсаторов усилителей на транзисторах требуются большие значения емкости. Например, для усилителей звуковых частот емкость составляет несколько микрофарад.

Входное и выходное сопротивления транзисторов, подставляемые -в (8.21), находят для частоты /о и применённых способов включения. При наличии в схеме сопротивлений, шунтирующих входную цепь транзистора, в (8.21) в качестве RBX подставляют результирующее входное сопротивление каскада.

Входное и выходное сопротивления транзисторов, подставляемые в (8.21), находят для частоты /0 и применённых способов включения. При наличии в схеме сопротивлений, шунтиру-\ ющих входную цепь транзистора, в (8.21) в качестве Rer подставляют результирующее входное сопротивление каскада.

Пусть один транзистор имеет минимально возможный параметр Етт = 0,1 В, а второй — максимально возможный Етах — 0,5 В. Сопротивления транзисторов в открытом состоянии считаем примерно одинаковыми. Напряжение UK3 обычно не слишком отличается от напряжения Е в состоянии насыщения. Тогда ток через VT2 будет примерно в 5 раз больше, чем ток через транзистор VT1. Другими словами, мощность, рассеиваемая на VT2, будет в 25 (!) раз больше, чем мощность, рассеиваемая на VT1. Ключ может мгновенно выйти из строя, если мы планировали распределить токи между ключами равномерно.

Выходное сопротивление транзистора (лампы), шунтирующее контур, при расчете, как правило, можно не учитывать, если коэффициент трансформации рассчитан указанным способом. Влиянием входного сопротивления лампы в диапазонах ДВ, СВ и KB обычно пренебрегают, тогда как в транзисторных УВЧ следует учитывать влияние входного сопротивления транзисторов на качество контура в цепи

у какого транзистора входное сопротивление максимально?

У полевого. Сопротивление затвора практически бесконечно (от гигаом до бесконечности) . Либо вообще изолированный затвор — там точно бесконечность (заряд остается на затворе и можно использовать как элементарную ячейку памяти, правда до первой наводки)

Остальные ответы

У полевого.

у полевого с p-n переходом при работе в активной области, емкость затвора у них очень мала
у MOSFET транзисторов большая входная емкость и на быстрых сигналах они потребляют токи затвором

Похожие вопросы

Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Свое имя «TRANSferresISTOR» (дословно – «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков — как дырок, так и электронов.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р + область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

• Расстояние между металлургическими границами переходов называется физическойтолщинойбазы«L» .
• Расстояние между обедненными зонами называется эффективной толщиной базы «W».

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования – концентрация акцепторной примеси N_A в эмиттере кремниевого транзистора достигает ~ 10 17 – 10 18 ат/см 3 (этот факт обозначен символом р + ). Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси N_D в ней составляет ~ 10 13 – 10 14 ат/cм 3 . В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

• тонкая база — ;
• односторонняя диффузия (несимметичный эмиттерный переход)

Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу. Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла.

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

1. низкочастотные­ не более 3 МГц;
2. средней частоты — от 3 МГц до 30МГц;
3. высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;
4. сверхвысокочастотные — более 300 МГц

По мощ­ности выделяют следующем образом:

• маломощные — не более 0,3 Вт;
• средней мощности — от 0,3 Вт до1,5 Вт;
• большой мощности — более 1,5 Вт.

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные тран­зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносе­кундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением U_эб, а коллекторный закрыт обратным смещением U_кб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками. Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.

Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе – дырок слева 10 17 см -3 , а справа 10 6 см -3 . Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника U_эб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

где α – доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера. Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α . При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника U_эб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:

В цепи коллектора кроме управляемого тока протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток I_кб0, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения U_кб, а зависит только от температуры. Обратный ток коллектора I_кб0 измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс «0» (ноль).

Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен

В нормальных условиях работы поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен

а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен

Согласно первому закону Кирхгофа,

Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы

Коэффициент связан с коэффициентом соотношением

3. Режимы работы и способы включения

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

• Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.
• Режим насыщения— оба перехода открыты.
• Режим отсечки— оба перехода закрыты.
• Инверсный режим— эмиттерный переход закрыт, коллекторный — открыт.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК). На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора. Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение U_эб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение U_кб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Напряжение U_бэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение U_кэ той же полярности распределяется между обоими переходами: U_кэ = U_кб + U_бэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие U_кб = U_кэ — U_бэ> 0, что обеспечивается неравенством U_кэ> U_бэ> 0.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами — входными и выходными напряжениями и токами: U_вх = U₁, U_вых = U₂, I_вх = I₁, I_вых = I₂. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к, соответственно, входным напряжением является напряжение U_эб, а выходным – напряжение U_кб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость I_э от U_кб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода U_кб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту I_э. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение U_эб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым () и при прямых напряжениях .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения U_кб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении U_кб имеет место небольшой рост I_к, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При I_э = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (I_к = I_кб0).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение U_кб, большее порогового значения U_{кб пор}, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току I_к. Этот ток называют инверсным. Инверсный ток резко увеличивается с ростом , в результате чего I_к очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора I_к. Соответственно, входным напряжением является напряжение U_бэ, а выходным – U_кэ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы I_б от напряжения на коллекторе U_кэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом U_кэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений U_бэ. Следует отметить, что I_б = 0 при некотором значении U_пор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)I_э становится равным тепловому току I_кэ0. При U_бэ пор, I_б = — I_кэ0, что соответствует режиму отсечки.

При U_кэ бэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.

Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6б. Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда

Ток I_кэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),

Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение U_кэ распределено между обоими переходами. При U_кэ бэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при U_кэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. I_к становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы. Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост I_к при увеличении U_кэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока I_к с ростом напряжения U_кэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем I_кб0, сквозного теплового тока I_кэ0 (4.11).

• транзисторы
• биполярные транзисторы
• электроника

Похожие публикации:

1. P time ssangyong что это
2. Сколько датчиков износа тормозных колодок
3. Что такое обрешетка на питбайке
4. Что такое пробег автомобиля и зачем он нужен