Почему транзистор пропускает переменный ток

Почему транзистор пропускает переменный ток

Текущее время: Пн фев 05, 2024 03:51:35

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Запрошенной темы не существует.

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group
Русская поддержка phpBB
Extended by Karma MOD © 2007—2012 m157y
Extended by Topic Tags MOD © 2012 m157y

Работоспособность сайта проверена в браузерах:
IE8.0, Opera 9.0, Netscape Navigator 7.0, Mozilla Firefox 5.0
Адаптирован для работы при разрешениях экрана от 1280х1024 и выше.
При меньших разрешениях возможно появление горизонтальной прокрутки.
По всем вопросам обращайтесь к Коту: kot@radiokot.ru
©2005-2024

Почему транзистор пропускает переменный ток

Диод — прибор, пропускающий ток только в одну сторону. Аналог клапана. Против стрелки ток через него не проходит, по стрелке ток начинает протекать при разнице напряжений между анодом и катодом более 0,7 В. Заметим, что аналог-клапан тоже не отопрется при слишком малой разнице давлений.

Если подключить нагрузку к источнику переменного тока, ток через нагрузку, ясное дело, будет протекать поочередно то в одну, то в другую сторону (4). Если нам необходимо, чтобы ток шел только в одну сторону, мы ставим на провод «клапан» — диод (5). Но если поставить только один диод, ток через нагрузку будет протекать не весь. Ведь источник тока периодически меняет полярность питания (на то он и переменный): в один момент времени «плюс» оказывается на верхнем проводе, «минус» — на нижнем. В следующий момент времени полярность меняется на противоположную. Когда полюс сверху, ток через диод и нагрузку протекает к минусу источника. Когда же плюс снизу, диод не пропускает ток. То есть, ровно половину времени ток через нагрузку не течет. Такое выпрямление тока называется «однополупериодным». Если не очень понятно, представьте себе что источник тока — это водопровод, который качает воду то в одну сторону, то в другую, а вместо диода стоит клапан. Будет точно такая же картина — половину времени вода через нагрузку не течет.

Если мы хотим, чтобы ток протекал через нагрузку постоянно, требуется двухполупериодный выпрямитель (называемый также «диодным мостом»). Такой мост изображен на рисунках 6,7,8 и 9. Это совершенно идентичные схемы, просто нарисованные по-разному. Если вы отследите прохождение тока в различные полупериоды (от плюса источника тока, через диоды со стрелочками и нагрузку к минусу источника), то убедитесь в этом сами. Можно и в этом варианте представить клапана на водопроводе. Для того, чтобы не происходил подобный позор, необходимо запомнить признаки диодного моста:

1. К каждому выводу источника подключен анод одного диода и катод другого.
2. Оба катода двух диодов, подключенных к разным выводам источника подключены к плюсу нагрузки
3. О ба анода двух диодов, подключенных к разным выводам источника подключены к минусу нагрузки
Транзистор.

Касаться процессов на атомно-молекулярном уровне не станем — такого добра в сети навалом, опишем принцип действия.

Людей часто часто вводит в заблуждение термин «усиление сигнала». У многих создается впечатление, что транзистор волшебным образом увеличивает подаваемое на него напряжение, как некий вечный двигатель. На самом деле транзистор — это всего лишь регулятор потока. На рисунке слева — схематическое обозначение транзистора, справа — гидравлический аналог, демонстрирующий принцип его работы.

Транзистор такого типа называется «биполярным». Пока на его базу не подано положительное напряжение, он заперт, т.е., не пропускает ток по цепи коллектор — эмиттер. Гидравлический аналог запертого транзистора — посередине.

Если же на базу транзистора подать напряжение (свыше 0,7 В, как и у диода!), ток, протекающий через него по цепи база — эмиттер, отопрет канал коллектор — эмиттер. То есть, уменьшит сопротивление между коллектором и эмиттером Аналог открытого состояния транзистора — справа.

Регулируя ток базы, мы управляем током цепи коллектор — эмиттер. Усиление же, производимое транзистором, заключается в том, что ток коллектор-эмиттер больше управляющего тока (база-эмиттер) в несколько раз — точно так же, как небольшой поток через «базу» в гидравлическом аналоге, управляет большим потоком воды в вертикальной трубе:

Допустим, в этой схеме напряжение источника тока (батарейки) 10 В. Сопротивление R1 — 10 000 Ом (10 килоом — 10 КОм). При разомкнутом выключателе в цепи базы, оба амперметра (А1 и А2) показывают нулевой ток. Если выключатель замкнуть, от плюса источника через резистор R1, базу и эмиттер транзистора к минусу источника потечет ток, равный напряжению источника, деленному на сопротивление: I=U/R. В нашем случае

10 В/10 000 Ом = 0,001 А (1 мА — один миллиампер). Этот ток откроет транзистор, и амперметр А2 тоже покажет некий ток (но этот ток течет от плюса к минусу батареи уже через коллектор-эмиттер транзистора — гляньте гидравлический аналог).

Во сколько раз показания амперметра 2 (т.е. ток коллектора транзистора) больше показаний амперметра 1 (тока базы), таков и есть коэффициент усиления нашего транзистора. Коэффициент усиления может сильно отличаться у различных типов транзисторов: начиная от десятков, и до нескольких сотен. Если коэффициент усиления нашего транзистора равен 100, ток в цепи его коллектора будет равен 100 мА = 0,1 А.

Ну хорошо. Небольшим током базы мы можем управлять током коллектора. А как же транзистор усиливает напряжение? Да очень просто. Появление тока в цепи коллектора означает, что транзистор уменьшил свое сопротивление. В приведенном выше примере, сопротивление R цепи коллектор-эмиттер транзистора в открытом состоянии равно U/I, т.е. 10 В/0,1 А = 100 Ом. В запертом состоянии транзистора — бесконечности.

Если вместо амперметра А2 в цепь коллектора подключить резистор (сопротивление) R2, номиналом, к примеру, 900 Ом, получится следующая картина: при разомкнутом выключателе в цепи базы, напряжение между коллектором и эмиттером равно напряжению источника тока, т.е., 10 В, что покажет вольтметр, подключенный параллельно транзистору (левая картинка).

Если выключатель замкнуть, сопротивление участка коллектор-эмиттер упадет, как мы посчитали, до 100 Ом. Получится, что напряжение источника поделится между сопротивлением резистора R2 и сопротивлением транзистора. А напряжение на участке цепи, как мы помним, пропорционально его сопротивлению. Значит, девять десятых напряжения источника придется на сопротивление R2, а одна десятая (т.е. 1 В) — на транзистор. И вольтметр V1 покажет напряжение 1 Вольт (правая картинка). Итак, небольшой базовый ток позволяет нам в значительных пределах изменять напряжение на коллекторе транзистора.

Выше речь шла о транзисторе, отпираемом положительным напряжением на базе. Такой тип называется n-p-n. Но существуют и его «антипод» типа p-n-p, отпираемый отрицательным (относительно эмиттера) напряжением на базе. Он рисуется со стрелочкой к базе, а не от базы. И питание на такой транзистор подается в обратной полярности — минус на коллектор, плюс на эмиттер.

Все остальное совершенно идентично.

Кроме биполярных, придуманы транзисторы полевые. Если биполярные транзисторы управляются током базы, то полевые — напряжением (электрическим полем — отсюда название) на электроде, называемом «затвором». Действует он примерно так же, как затвор на плотинах, перекрывающий поток воды.

Пока на затворе (З) нет напряжения, ток свободно протекает от стока (С) к истоку (И). Подаваемое на затвор напряжение отталкивает носители заряда, отвечающие за ток в канале транзистора. При этом, сечение канала сужается, и, понятно, его сопротивление увеличивается. При определенном напряжении на затворе (называемом «напряжение отсечки»), канал сток — исток запирается полностью. Гидравлический аналог полевого транзистора будет выглядеть так:

Видно, что в отличие от биполярного транзистора, ток в цепи управляющего электрода «полевика» отсутствует. Для работы полевого транзистора требуется лишь напряжение (аналог давления воды). Этот факт позволяет использовать последние для хранения информации. Заряженный (или разряженный) конденсатор, подключенный к затвору, может длительное время сохранять свое состояние, а значит, и информацию. Прочесть же эту информацию можно измерив сопротивление цепи сток — исток, и чтение никак не повлияет на напряжение затвора, то есть, на состояние памяти. Причем, подключать «запоминающий» конденсатор к затвору полевого транзистора не обязательно, так как переход затвор-канал сам по себе обладает электрической емкостью, способен хранить заряд (точно так же обладает электрической емкостью диод, включенный в обратном направлении).

И что самое ценное — такая система памяти энергонезависима, то есть, сохраняется при отключении питания. Именно таким образом информация хранится на «флэшках».

Так же как и биполярные, полевые транзисторы бывают двух типов: одни запираются «плюсом» на затворе, вторые — минусом.

Усиление сигнала.

Перейдем к практически применимой схеме усилителя на биполярном транзисторе. Но прежде о том, что именно мы будем усиливать и — зачем.

К примеру, нам необходимо установить звуковую связь с человеком, находящимся от нас в нескольких километрах. Переговорная труба не подойдет — слишком далеко. Раз уж мы тут говорим про электричество, необходимо найти возможность преобразовать звук (нашу речь) в электрический сигнал, передать на расстояние и преобразовать обратно в звук. Полученные выше сведения позволяют нам это сделать.

Вспомним, что перемещение магнита возле катушки вызывает появление в последней электрического тока. Подвесим тоненькую магнитную пластину на пружинах рядом с катушкой (можно наоборот — подвесить катушку на гибкой мембране рядом с неподвижным магнитом — суть не изменится). Произносимые нами звуки представляют собой местные уплотнения воздуха — звуковые волны.

Эти волны вызовут колебания магнитной пластинки. Изменение магнитного поля в катушке из-за перемещения пластинки, приведет к появлению на выводах катушки переменного напряжения, точно соответствующего форме звуковых волн. Мы с вами изобрели микрофон.

Заметим, что такой тип микрофона (он называется электродинамическим) — обратимый прибор: если на катушку подать переменное напряжение звуковой частоты, магнитная пластинка, то притягиваясь, то отталкиваясь от катушки, воспроизведет звук.

Соединив два таких прибора проводами, получим искомое — способ связаться с удаленным абонентом. Правый прибор — микрофон, преобразующий звук в переменный ток такой же формы, Левый — громкоговоритель, выполняющий обратное превращение — в звук.

Понятно, что если говорить в левый прибор, правый воспроизведет речь, так как оба прибора идентичны.

Если вы сможете найти два головных телефона (иначе говоря — наушника) с высоким сопротивлением, примерно 3 000 Ом, иначе — 3 КОм, вполне сможете наладить связь вышеуказанным способом на небольшое расстояние, порядка 10 метров — без всяких батарей и усилителей.

Но есть небольшое «но». Во-первых, напряжение, вырабатываемое таким микрофоном мало для того, чтобы сильно раскачать громкоговоритель. То есть, абонент будет слышать очень тихий звук. Во-вторых, если связь ведется на больших расстояниях, передаваемый сигнал будет к тому же значительно ослаблен сопротивлением проводов связи. Значит, сигнал перед передачей требуется усилить. И мы это умеем. Включим в цепь коллектора транзистора громкоговоритель B2, а на базу будем подавать слабый сигнал с микрофона B1. Этот сигнал будет изменять внутреннее сопротивление транзистора, а значит, через громкоговоритель пойдет усиленный сигнал. Сам громкоговоритель будет установлен у нашего абонента.

А для чего нужен резистор R1? Он задает так называемое «смещение». Мы же помним, что данный транзистор отпирается положительным напряжением на базе. А наш микрофон выдает переменное напряжение. Значит, без R1, положительную полуволну с микрофона транзистор усилит, а отрицательную просто не пропустит — в точности как диод в однополупериодном выпрямителе, описанном выше.

А значит, во время отрицательной полуволны с микрофона, транзистор не откроется. Графически это будет выглядеть так:

Слева — напряжение на выходе микрофона, справа — на выходе (коллекторе) транзистора при отсутствии смещения.

Нам же, необходимо передать абоненту сигнал таким, какой он есть в оригинале. Поэтому, резистором R1 мы немного приоткрываем транзистор, чтобы через его базу протекал небольшой ток.

Понятно, что при этом небольшой ток появится и в цепи коллектора (вспоминаем гидро аналог).

Переменное же напряжение с микрофона то складывается с током смещения (при этом сильнее открывая транзистор — левая схема), то вычитается из него, когда течет навстречу ему, уменьшая ток коллектора транзистора (правая).

Теперь через транзистор (а значит, и через громкоговоритель) течет ток, в точности повторяющий форму звука, приходящего на микрофон.

А для чего нужен конденсатор между микрофоном и базой транзистора?

Нам нужно пропустить ток смещения через цепь база-эмиттер транзистора. Если не поставить конденсатор, этот ток, вместо того, чтобы идти на базу, уйдет к минусу источника питания путем наименьшего сопротивления — через катушку микрофона. И никакого смещения мы не получим. Конденсатор же, не пропускает постоянный ток, не препятствуя прохождению переменного тока от микрофона к базе транзистора.

Нарисуем полный гидравлический аналог приведенной выше схемы (называемой однокаскадным усилителем).

Источник «тока» создает давление жидкости (аналог напряжения) в верхней трубе. Через сопротивление смещения, это давление подается на базу транзистора (его левый вывод), слегка смещая «шторку», управляющую поршнем, регулирующим поток жидкости в цепи «коллектора» транзистора (его верхний вывод). Соответственно, слегка сдвинутый поршень обеспечивает небольшой начальный поток через «громкоговоритель» в направлении эмиттера (нижний вывод) и обратно к источнику тока.

То есть, мы имеем два потока жидкости (ведите пальцем по схеме): первый по цепи верхний вывод источника тока — резистор — база транзистора — эмиттер транзистора — нижний вывод источника тока. Заметим, что при отсутствии разделительного конденсатора, поток после резистора мог бы уйти к нижнему выводу источника тока через «микрофон», минуя базу транзистора.

Этот первый поток управляет вторым потоком, протекающим по цепи: верхний вывод источника тока — громкоговоритель — коллектор транзистора — эмиттер транзистора — нижний вывод источника тока.

Микрофон и громкоговоритель устроены одинаково: на оси (жирная точка) закреплена мембрана, часть которой находится в жидкости, часть — на воздухе.

Если мы произносим звуки вблизи микрофонной мембраны, ее колебания будут передаваться части мембраны, находящейся в жидкости. Эти колебания будут перегонять жидкость то в одну, то в другую сторону по цепи (ведем пальцем): микрофон — разделительный конденсатор (он не мешает переменному потоку жидкости) — база транзистора — эмиттер транзистора — микрофон, то сильнее приоткрывая шторку, то чуть прикрывая ее. Напомним: шторка изначально чуть приоткрыта за счет тока через сопротивления смещения. А так как шторка управляет поршнем, будет меняться и поток жидкости в громкоговорителе, причем, существенно сильнее, чем в цепи базы. Часть мембраны «громкоговорителя», расположенная в воздухе, воспроизведет усиленный звук. Вот, собственно и вся работа данной схемы.

Урок №3: Теория начинающим

Поздравляю! Ты собрал свой собственный усилитель! Но ты еще совершенно не понимаешь принцип его работы. Я отступаюсь от общей схемы обучения и рассказываю теорию после практики. Еще раз смотрим на схему: Сначала, как и обещал, расскажу о транзисторе. По началу используй транзисторы типов МП39 — МП41, их легче паять и они имеют структуру p-n-p. При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот — закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот. В нашем усилителе очень хорошо выявлено это свойство транзистора. Конденсатор С1 поставлен для того, чтобы, когда мы подключим к входу усилителя микрофон или головку магнитофона постоянный ток не попал на базу транзистора. Ведь постоянный ток батарейки не может проходить через конденсаторы, а вот переменный ток от микрофона или головки — запросто! И вот этот самый переменный ток попадает на базу транзистора, и он то открывает, то закрывает его в такт тому что говорят в микрофон. А через коллектор и эмиттер транзистора (и наушники) течет относительно болшой ток батарейки и он тоже изменяется в такт колебаниям микрофона. Во как! Был ток в сотые доли вольта от микрофона, а стал в единицы вольта от батарейки. Поэтому усилитель и называется усилителем. Вопрос: «Зачем резистор R1?».
Ответ: «Через него подается на базу транзистора маленькое закрывающее напряжение смещения для стабильной работы транзистора.» Вопрос: «Зачем конденсатор С1?» Ответ: «Не знаю, и без него все хорошо работает, но в книжках написано, что он блокировочный.» До усиления: После усиления: Посмотри на эти рисунки, может ты видишь такое впервые, это синусоиды. По ним можно определить частоту колебаний тока, т. е. сколько раз в секунду ток изменит свою полярность. T — период. Например, 1 мм равен 0,0001 секунды, измерим расстояние от однои вершины до другой, пусть оно равно 50 мм, умножаем 50*0,0001=0,005 теперь расчитаем частоту по формуле: f=1/T где f — частота, получаем 1/0,005=200 (Герц). Сокращенно — 200 Гц. Впереди урок 4.

none Опубликована: 2004 г. 0 2

Вознаградить Я собрал 0 0

Оценить статью

• Техническая грамотность

Оценить Сбросить

Средний балл статьи: 0 Проголосовало: 0 чел.

3. ТРАНЗИСТОРЫ

В 1948г. Д.Бардин и В.Браттейн, работая с точечным p-n переходом, обнаружили, что устройство с двумя p-n переходами способно создавать усиление электрических колебаний по мощности. Они назвали это устройство транзистором (от английских слов: «transfer» — преобразователь и «resistor» — сопротивление). В настоящее время транзистором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими p-n переходами и с тремя или более выводами.
По конструкции транзисторы могут быть как точечными, так и плоскостными, однако, хотя точечные транзисторы появились первыми, нестабильность их работы привела к тому, что в настоящее время выпускаются только плоскостные транзисторы.
Плоскостной транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором две области с проводимостью одного типа разделены областью с проводимостью противоположного типа. Таким образом могут быть получены структуры p-n-p и n-p-n (см.рис.3.1 а и б).

Каждая область имеет название:
область 1 — эмиттер (Э);
область 2 — база (Б);
область 3 — коллектор (К).

Между областями с разным типом проводимости образуются p-n переходы.
P-n переход, образующийся между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом (ЭП); p-n переход, образующийся между базой и коллектором, называется коллекторным переходом (КП).
Для соединения с внешней электрической схемой эмиттер, база коллектор имеют выводы, представляющие собой невыпрямляющие (омические) контакты полупроводника с металлом. Вся система помещается в герметизированный корпус, а выводы электродов выводятся наружу.

Эмиттерный и коллекторный переходы могут быть получены различными методами. От метода получения переходов зависит распределение примеси в области базы. Если концентрация примеси в области базы распределяется равномерно (например, при получении p-n переходов методом сплавления), то, с известной долей пренебрежения, можно считать, что электрическое поле в базе отсутствует.

Если концентрация примеси в области базы распределена неравномерно (что происходит при создании p-n переходов с помощью диффузионных процессов), то это приводит к появлению электрического поля, величина которого зависит от характера неравномерности распределения примеси. Максимальное постоянное электрическое поле в области базы появляется при экспоненциальном распределении концентрации примеси.
Транзисторы с однородным распределением концентрации примесей в базе (электрическое поле базы практически отсутствует) называются бездрейфовыми.
Транзисторы с неоднородным распределением концентрации примеси в базе (существует электрическое поле базы) называются дрейфовыми.
Как на эмиттерный, так и на коллекторный переходы может быть подано либо прямое, либо обратное напряжение. В зависимости от знака напряжения, подаваемого на эмиттерный и коллекторный переходы, различают три режима работы транзистора:
1) режим насыщения — на оба p-n перехода подано прямое напряжение;
2) режим отсечки — на оба p-n перехода подано обратное напряжение;
3) активный режим — на один из переходов подано прямое напряжение, а на другой — обратное.
В режиме насыщения, когда на эмиттерный и коллекторный переходы подается прямое напряжение, потенциальный барьер снижается, и через переходы в область базы инжектируются неосновные носители заряда — дырки в случае транзистора p-n-p. В результате база насыщается неосновными носителями, транзистор ведет себя как малое сопротивление, и токи через него ограничиваются в основном за счет элементов внешней цепи.
В активном режиме обычно на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный переход — обратное (хотя возможно и так называемое инверсное включение, когда на ЭП подается обратное напряжение, а на КП — прямое). В этом случае эмиттер инжектирует в базу неосновные носители заряда-дырки, причем их количество (концентрация) зависит от величины напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. Диффузионно передвигаясь в базе, почти все неосновные носители (лишь небольшая часть рекомбинирует с основными носителями заряда базы) достигают коллекторного перехода. Т.к. электрическое поле коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, является ускоряющим для неосновных носителей, то они «проталкиваются» через переход и собираются в коллекторе.
Таким образом, ток через транзистор в основном является током неосновных носителей заряда, величина которого определяется величиной прямого напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. То обстоятельство, что этот ток протекает через ЭП, имеющий малое сопротивление, и КП, имеющий большое сопротивление, создает условия, позволяющие получить усиление напряжения и мощности электрических сигналов.
Из сказанного следует, что транзистор может быть использован как усилитель электрических колебаний, при этом работает в активном режиме, и как переключатель — в момент прохождения импульса он работает в режиме насыщения, в промежутке между импульсами — в режиме отсечки, и в момент переключения — в активном режиме.
Транзистор может работать как в прямом (на ЭП подается прямое напряжение, на КП -обратное), так и в инверсном включении, когда роль эмиттера выполняет коллектор, а роль коллектора- эмиттер. Инверсное включение представляет практический интерес при использовании транзистора в качестве малотокового переключателя.
При работе транзистора в качестве усилителя такое включение чаще всего нецелесообразно.

3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе
типа p-n-p

Рассмотрим движение носителей заряда через структуру транзистора, которые протекают в выводах эмиттера, базы и коллектора, при условии, что на ЭП подано прямое напряжение, а на КП — обратное (т.е. транзистор работает в активном режиме).
Значение токов, протекающих через структуру транзистора, определяется не только напряжениями, которые подаются на эмиттерный и коллекторный переходы, но и взаимодействием этих переходов между собой. Взаимодействие переходов, в свою очередь, зависит от расстояния между ними, т.е. от ширины области базы — W.

На рисунке 3.3 показаны движение носителей заряда в структуре p-n-p транзистора и токи, протекающие во внешних выводах.
Если ширина базы W меньше диффузионной длины пробега неосновных носителей заряда в базе (рис.3.3 ), то значение тока, протекающего через КП, определяется следующими причинами:
1) т.к. в этом случае ширина базы гораздо меньше ширины области коллектора, то и количество неосновных носителей заряда, возникающих при данной температуре в области базы ( ), будет гораздо меньше количества неосновных носителей заряда, возникающих в области коллектора ( ), и можно считать, что

, где J_ko ток неосновных носителей заряда koп

2) дырки, которые диффузионно переходят из эмиттера в базу над снизившимся потенциальным барьером эмиттерного перехода, в базе продолжают двигаться диффузионно в основном в сторону коллекторного перехода. А т.к. ширина базы меньше их диффузионной длины пробега, то они достигнут коллекторного перехода в количестве тем больше, чем меньше ширина базы. Однако, вследствие дисперсии, т.е. беспорядочного теплового движения носителей, какая-то часть дырок не доходит до КП из-за процесса рекомбинации на поверхности, у базового вывода или в толще базы, в следствии этого в цепи базы появляется базовый ток . Величина, характеризующая долю тока эмиттера, достигающую коллекторного перехода. называется коэффициентом передачи постоянного тока эмиттера и обозначается .

Тогда ток коллектора:

Таким образом, ток через КП для случая (для p-n-p транзистора) является суммой двух составляющих — тока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, и нулевого коллекторного тока .
В толщине базы протекает и рекомбинационный ток, но в силу того, что процесс рекомбинации в базе резко уменьшается, рекомбинационная составляющая тока базы тоже мала .
Соответственно во внешних выводах эмиттера, базы и коллектора будут протекать токи:
вывод эмиттера ,
вывод коллектора ,
вывод базы

где — является рекомбинационной составляющей тока базы, величина которой зависит от величины прямого напряжения, приложенного к ЭП.
— ток неосновных носителей заряда, величина которого от приложенного напряжения почти не зависит.
Если p-n-p транзистор, работающий как усилитель электрических колебаний, включен в схему так, как это показано на рис.3.4, то включение последовательно с источником переменного напряжения приведет к появлению переменных составляющих тока эмиттера , тока коллектора и тока базы , которые будут накладываться на постоянные составляющие. Так же как и постоянные токи, протекающие через p-n-p транзистор, переменные токи являются функциями напряжения. Если на вход подается синусоидальное напряжение, то оно вызовет синусоидальные изменения плотности дырок в эмиттерном и коллекторном переходах, т.е. синусоидальные изменения переменных токов эмиттера, коллектора и базы.

Переменный ток, протекающий через ЭП, равен сумме электронного и дырочного токов, причем для p-n-p транзистора только дырочная составляющая проходит последовательно ЭП, обладающий малым сопротивлением и КП, обладающий большим сопротивлением, т.е. создает условия для усиления электрических колебаний.
Поэтому на практике для характеристики усилительных свойств транзистора пользуются коэффициентом передачи тока эмиттера или, как его иначе называют, коэффициентом усиления по току a , который является отношением общего коллекторного переменного тока к общему эмиттерному переменному току в режиме короткого замыкания коллектора на базу по переменному току.

3.3. Основные схемы включения транзистора

Транзистор имеет 3 вывода и может включатся в схему тремя различными способами, т.к. каждый из трех выводов может быть использован как общий (заземленный). Соответственно каждая из схем включения называется: 1) схема с общей базой (ОБ), (общий электрод- база), 2) схема с общим эмиттером (ОЭ) (общий электрод- эмиттер), 3) схема с общим коллектором (ОК) (общий электрод- коллектор).
Т.к. в транзисторе усиление возможно только при протекании через него тока в одном направлении (через малое сопротивление ЭП и большое сопротивление КП), то одним из двух входных выводов обязательно должна быть база, а одним из двух выходных выводов — коллектор (см. рис. 3.5 а, б,в).

На рис.3.5 (а, б, в) показаны три схемы включения транзистора по постоянному току. Независимо от способа включения по постоянному току возможны также три схемы включения транзистора по переменному току.
В последнем случае схема имеет общий электрод для входного и выходного переменных сигналов, причем, так же как и для постоянного тока вывод базы должен быть одним из входных, а вывод коллектора — одним из выходных.

3.4. Способы описания свойств транзистора,
работающего в активном режиме при малом переменном сигнале

Для расчета поведения транзистора в различных цепях необходимо знать зависимость протекающих через него токов от приложенных напряжений.
Постоянные токи, протекающие через транзистор, являются нелинейными функциями приложенных напряжений. Но, если на постоянные составляющие накладываются переменные сигналы с амплитудами малыми по сравнению со значениями постоянных составляющих, между переменным входным напряжением и переменным выходным током будет существовать линейная зависимость. и работа транзистора будет иметь линейный характер. Поэтому работу транзистора на переменном токе можно охарактеризовать, представив его в виде активного линейного четырехполюсника. Свойства четырехполюсника характеризуются системой двух уравнений, связывающих токи и напряжения на входе и выходе. Замена транзистора эквивалентным четырехполюсником является одним из способов описания его свойств.
Вторым способом является описание свойств транзистора с помощью эквивалентных схем (схем замещения). В этом случае транзистор представляется в виде эквивалентной цепи, состоящей из ряда электрических элементов, включенных так, что в совокупности они имитируют действие транзистора.
И, наконец, наиболее общим, наиболее наглядным и наиболее часто применяющимся способом определения свойств транзистора, является экспериментальное снятие статических вольтамперных характеристик.
Все три указанных способа описания свойств транзистора должны быть взаимно эквивалентны, т.е. при исследовании транзистора с помощью любого из этих способов должны получаться одинаковые результаты.

3.5. Статические характеристики транзистора

Статические характеристики представляют собой графики экспериментально полученных зависимостей между токами, протекающими в транзисторе, и напряжениями на его p-n переходах при .
Как уже говорилось, зависимость постоянных токов, протекающих в транзисторе, от приложенных напряжений нелинейна, т.е. статические вольтамперные характеристики нелинейны.
Как следует из 3.3, входные и выходные токи и напряжения различны для различных схем включения транзистора. Каждая из схем включения может быть охарактеризована четырьмя семействами статических характеристик. Практически обычно пользуются входными и выходными характеристиками для схем с ОБ и ОЭ.
Рассмотрим статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ, для которой входной цепью является цепь эмиттера, т.е. , а выходной цепью — цепь коллектора, т.е. .
Входная характеристика описывается соотношением:

В этом случае они имеют вид, показанный на рис.3.6. Вид характеристики, снятой при , соответствует прямой ветви вольтамперной характеристики одиночного p-n перехода.

При входные характеристики сдвигаются влево относительно начала координат. Это объясняется тем, что если на КП подано обратное напряжение, то между эмиттерным и коллекторным переходами возникает обратная связь по напряжению, т.е. изменения обратного напряжения на КП приводят к изменению прямого напряжения на ЭП, и напряжение, фактически приложенное к ЭП, ( ) не равно напряжению, подаваемому от эмиттерной батареи ( ). Элементом связи, т.е. элементом, который является общим для цепи Э-Б и цепи К-Б, служит объемное сопротивление базы , по которому протекает ток базы. Протекая по объемному сопротивлению базы, базовый ток создает падение напряжения и напряжение, фактически приложенное к эмиттерному переходу, оказывается меньше, чем напряжение эмиттерной батареи на величину , т.е.

Если на КП подается обратное напряжение, то он расширяется, причем преимущественно в сторону базы (т.к. концентрация примесей в базе мала), и ширина базы W уменьшается. Уменьшение W вызывает уменьшение процесса рекомбинации неосновных носителей в толще базы, т.е. уменьшение рекомбинационной составляющей тока базы и — возрастает.

Таким образом, изменение обратного напряжения коллекторного перехода влечет за собой изменение , а значит изменение тока эмиттера. В результате характеристики, снятые при , идут левее, и диффузионная составляющая тока через ЭП протекает даже при , в том случае, если на ЭП подано обратное напряжение -, т.е. , если фактическое напряжение на переходе .

Следует отметить, что влияние увеличения обратного коллекторного напряжения вызывает существенное смещение входных характеристик только при небольших значениях . При характеристики практически сливаются, т.к. расширение коллекторного перехода приводит не только к уменьшению тока базы, но и к увеличению сопротивления базы.
Рассмотрим ход статических выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ, ход которых показан на рис.3.7 .

Вид характеристики, снятой при , соответствует обратной ветви вольтамперной характеристики одиночного p-n перехода. В этом случае , где — нулевой коллекторный ток.
Если , то значения тока коллектора увеличиваются за счет носителей заряда, инжектированных из эмиттера в базу . В этом случае коллекторный ток протекает и при . Для того, чтобы уменьшить значение коллекторного тока до нуля, необходимо подать на коллекторный переход прямое напряжение, при этом потенциальный барьер перехода снизится, и навстречу потоку неосновных носителей заряда потечет поток основных носителей заряда; при равенстве этих потоков коллекторный ток равен нулю.
При увеличении обратного напряжения на коллекторе характеристики, снятые при J_э=const, имеют небольшой подъем, т.е. ток коллектора возрастает при увеличении напряжения на коллекторе. Это объясняется тем, что с увеличением обратного коллекторного напряжения растет ширина коллекторного перехода (в основном в сторону базы), уменьшается рекомбинация неосновных носителей в толще базы, уменьшается рекомбинационная составляющая тока базы, и ток коллектора при несколько растет. Характеристики, снятые через равные интервалы изменения тока эмиттера, располагаются неравномерно: чем больше значения эмиттерного тока, тем ближе друг к другу располагаются характеристики. Это объясняется тем, что возрастание эмиттерного тока приводит к увеличению рекомбинации, а значит к уменьшению коллекторного тока.
При больших значениях J_k коллекторного напряжения возрастает за счет лавинного умножения носителей заряда в коллекторном переходе.
Большую роль в работе транзистора играет обратный неуправляемый ток коллекторного перехода , который является частью коллекторного тока при любом значении тока эмиттера. Т.к. представляет собой ток неосновных носителей заряда, число которых непосредственно зависит от температуры, то его существование предопределяет температурную нестабильность работы транзистора.
Рассмотрим ход статических входных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ . В этом случае они имеют вид, показанный на рис. 3.8.

Рассмотрим ход характеристики, снятой при . Если на коллекторную p-область подан нулевой, а на базовую n-область — отрицательный потенциал (т.е. ), то коллекторный переход находится под прямым напряжением, и через него протекает диффузионная составляющая тока (ток основных носителей заряда), которая замыкается через базу .
Через эмиттерный переход, на который от батареи подается прямое напряжение, также протекает диффузионная составляющая тока, причем, т.к. подача для схемы с ОЭ означает короткое замыкание между коллектором и эмиттером, ток эмиттера тоже замыкается через базу. При изменении — каждый из этих токов изменяется в соответствии с ходом прямой ветви вольтамперной характеристики p-n перехода. В базовом выводе эмиттерный и коллекторные токи протекают в одном направлении, т.е. и входная характеристика, снятая при , представляет собой прямую ветвь в/а характеристики двух параллельно включенных p-n переходов.
Если входная характеристика снимается при каком-то значении обратного коллекторного напряжения , то коллекторный переход подается обратное напряжение. В этом случае ток коллектора меняет свое направление, ток эмиттера замыкается через цепь коллектора, и ток базы является суммой двух противоположно направленных составляющих, рекомбинационной и тока .
При рекомбинационная составляющая тока базы и в цепи базы протекает только ток . После того, как на эмиттерный переход подано прямое напряжение , появляются эмиттерный ток и рекомбинационная составляющая тока базы по величине меньшая, чем ток . В цепи базы протекает разностный ток . При увеличении рекомбинационная составляющая растет, разностный ток уменьшается, и при ток базы равен нулю. При дальнейшем увеличении ток базы меняет свое направление, и в цепи базы протекает разностный ток уменьшается и при .
При увеличении обратного напряжения коллекторного перехода входные характеристики сдвигаются от начала координат вправо и вниз.
Сдвиг характеристик вниз объясняется тем, что значения растут при увеличении обратного напряжения коллекторного перехода т.к. расширение перехода в сторону базы уменьшает рекомбинацию, в результате чего, увеличивается коэффициент передачи эмиттерного тока , и значения растут.
Сдвиг характеристик вправо объясняется тем, что уменьшение рекомбинационной составляющей тока, базы и равенство достигается при больших значениях .
Обычно в справочниках приводятся семейства входных характеристик, снятых при , причем область отрицательных значений тока базы часто не изображаются.
Рассмотрим статические выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ ход которых показан на рис.3.9.

Характеристика, снятая при представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики коллекторного перехода, снятую при открытом эмиттерном переходе для случая, когда .
Характеристика, снятая при . соответствует точкам характеристики, снятой при . Ее ход практически определяет границу области отсечки. Область между областью отсечки и активной областью; в ней значения тока коллектора меняются от I_ко до I ` _ко . Характеристики, снятые при I_б > 0 , не проходят через начало координат, т.к. для того, чтобы при U_кэ=0 получить данное значение I_б = const надо подать на базу какое-то отрицательное напряжение U_бэ. В этом случае , коллекторный переход открывается и через него проходит некоторый отрицательный ток, являющийся разностью I_диф — I_пров. Т.к. этот ток очень мал, то практически считают выходные характеристики для схемы с ОЭ выходящими из нуля.
Если на коллекторный переход подается обратное напряжение по величине меньшее, чем напряжение U_бэ, то коллекторный переход продолжает оставаться открытым и навстречу потоку неосновных носителей заряда движется поток основных носителей заряда (диффузионная составляющая тока), который уменьшается при увеличении обратного напряжения U_кэ (т.е. при уменьшении прямого падения напряжения на КП). В результате ток через коллекторный переход (I_диф — I_пров. ) растет. При каком-то значении U_кэ осуществляется равенство:

после чего при увеличении U_кэ на коллекторный переход фактически подается обратное напряжение и через него проходит только поток неосновных носителей заряда, величина которого в основном зависит от U_бэ .
Возрастание тока коллектора при дальнейшем увеличении обратного напряжения Uкэ объясняется тем, что при расширении коллекторного перехода уменьшается рекомбинация в базе, в результате чего уменьшается ток базы. Уменьшение тока базы увеличивает значения тока коллектора, т.к. I_к = I_э + I_б и, кроме того, для поддержания I_б=const необходимо увеличивать U_бэ, что приводит к росту тока эмиттера, а значит и тока коллектора.
Увеличение обратного напряжения на коллекторном переходе приводит в конце концов к резкому увеличению тока коллектора — пробою КП.
Так же, как и для схемы с ОБ, семейства входных и выходных характеристик, снятые для схемы с ОЭ, являются основными. Характеристики обратной связи по напряжению и прямой передачи по току могут быть графически построены по семейству входных или семейству выходных характеристик соответственно.
Статические характеристики транзистора включенного по схеме с ОК незначительно отличаются от характеристик для схемы с ОЭ, что позволяет производить расчет рабочих режимов для схемы с ОК по характеристикам для схемы с ОЭ.
Кроме того, характеристики, снятые для схемы с ОЭ, позволяют более точно получить путем пересчета значения всех токов и напряжений, т.к. они дают точные значения I_б и U_бэ , тогда как для схем с ОБ и ОК эти маленькие величины пришлось бы определять как разность больших величин, причем неизбежно вносилась бы большая погрешность.
Таким образом, характеристики для схемы с ОЭ дают более точные данные о работе транзистора.
В силу этих причин семейства характеристик, снятые для схемы с ОЭ, считаются основными и наиболее часто приводятся в справочниках.

3.6. Влияние температуры на статические характеристики транзистора

Параметром наиболее сильно изменяющимся при изменении температуры является нулевой коллекторный ток I_ко. Т.к. изменения тока I_ко влекут за собой изменения тока коллектора. то очевидно, что температурная зависимость Iко приводит к общей температурной нестабильности работы транзистора. Можно было бы подумать, что эта температурная нестабильность несущественна, т.к. I_кок . Однако, это не так. Ток I_ко представляет собой ток неосновных носителей заряда, т.е. возникает за счет собственной электропроводности полупроводника, которая в зависимости от температуры изменяется по экспоненте.
Экспоненциальное изменение Iко при изменении температуры приводит к существенным изменениям режима работы транзистора, т.к. I_ко может сильно возрасти без резкого увеличения температуры.
Ток I_ко является единственным параметром транзистора, значения которого экспоненциально зависят от температуры. Однако в результате того, что электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от температуры, существует также температурная зависимость коэффициентов передачи тока a₀ и b₀, значения которых несколько возрастают при увеличении температуры.
Температурная зависимость статических характеристик особенно сильно проявляется, для схем с ОЭ.

3.7. Полевые транзисторы

Транзисторы этого типа являются униполярными в отличие от рассмотренных ранее бездрейфовых и дрейфовых транзисторов, в принципе работы которых лежит использование носителей заряда двух типов: электронов и дырок, и которые поэтому называются биполярными. В униполярных транзисторах явление инжекции не используется и в принципе их работы лежит использование носителей заряда одного знака — или электронов, или дырок. Они называются также полевыми, т.к. управление током производится путем изменения электрического поля.
Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с p-n переходом, в котором используются электроны (он одинаков с принципом действия полевого транзистора, в котором используются дырки). На рис.3.10 показано схематическое устройство полевого транзистора и цепи питания.

Из рис.3.10 следует, что полевой транзистор представляет собой трехполюсное устройство с двумя невыпрямляющими контактами (сток и исток) и одним p-n переходом (затвор или управляющий электрод), к которому прикладывается обратное напряжение. Если n- полупроводнику приложено внешнее (выходное ) напряжение, то через него будет протекать ток основных носителей заряда I_вых. Так как p-n переход включен в обратном направлении и основные носителей заряда не могут преодолеть его потенциальный барьер, то ток основных носителей будет проходить только через невыпрямляющие контакты (носители перемещаются от истока к стоку, направление тока — от стока к истоку).
Величина тока I_вых зависит от двух причин:
а) от величины напряжения U_вых ;
б) от сопротивления полупроводника, по которому он протекает, и от величины сопротивления нагрузки Rн , если оно включено.
Если концентрация основных носителей и выходное напряжение остается постоянными, то значение сопротивления полупроводника для тока основных носителей зависит от площади его поперечного сечения. Площадь поперечного сечения в свою очередь зависит от следующих причин:
а) обычно основной полупроводник полевого транзистора выполняется из высокоомного материала; поэтому при подаче на затвор обратного напряжения p-n переход имеет большую ширину и расширяется главным образом в сторону основного полупроводника. Чем больше обратное напряжение, поданное на затвор, тем шире p-n переход, тем уже поперечное сечение полупроводника (канал), по которому проходит ток, т.е. тем больше сопротивление полупроводника протекающему току. Таким образом, сопротивление канала, по которому протекает ток основных носителей заряда зависит от величины обратного напряжения, поданного на затвор;
б) другой причиной изменения площади поперечного сечения, а значит и сопротивления канала, является падение напряжения на сопротивлении полупроводника при протекании выходного тока, в силу чего, напряжение, приложенное к p-n переходу, является суммой внешнего напряжения и внутреннего падения напряжения в объеме полупроводника.
Существование внутреннего падения напряжения обуславливает еще большее расширение p-n перехода (неравномерно распределяющееся по переходу: область перехода, расположенная ближе к стоку, будет шире, чем область перехода, расположенная ближе к истоку) и еще большее увеличение сопротивления канала, т.е. сопротивление канала, по которому протекает ток основных носителей заряда зависит от величины этого тока.
Таким образом, если увеличение выходного напряжения U_вых вызывает увеличение выходного тока, то одновременно возрастает внутреннее падение напряжения в объеме полупроводника, возрастает ширина p-n перехода, канал, по которому проходит ток, сужается и его сопротивление возрастает, ограничивая рост тока. Эти явления определяют ход статических выходных характеристик полевого транзистора , показанных на рис.3.11.

При увеличении выходного напряжения от нуля до какого-то значения U`вых (см.рис.3.11), величина выходного тока почти линейно возрастает, т.к. внутреннее падение напряжения еще невелико. Однако изменение ширины перехода происходит , и рост тока не следует закону Ома. С увеличением тока сечение канала изменяется все сильнее и более сильно воздействует на величину тока, уменьшая ее. После точки А сечение канала и его сопротивление существенно изменяется, ограничивая ток и в конце концов в точке В наступает динамическое равновесие, при котором увеличение тока, происходящее при увеличении выходного напряжения, компенсируется его уменьшением из-за возрастания сопротивления канала. Это явление называется насыщением канала. Выходное напряжение U « <sub>вых</sub> , при котором наступает насыщение канала, называется напряжением насыщения. Для лучшего использования полевого транзистора значения напряжения насыщения должны быть возможно меньшими;
Если выходная характеристика снимается при Uвх № 0 в этом случае при U<sub>вых</sub>=0 ширина p-n перехода определяется величиной приложенного обратного напряжения Uвх, начальное сечение канала уменьшится по сравнению со случаем, когда Uвх=0, а его сопротивление возрастает.
При U<sub>вых</sub> № 0, когда появляется внутреннее падение напряжения вдоль канала, начальный участок характеристики (ОА ` ) будет иметь больший наклон, соответствующий большему сопротивлению канала. Соответственно существенное влияние внутреннего падения напряжения вдоль перехода на величину выходного тока начинает сказываться при меньших значениях выходного тока и выходного напряжения (точка А ` на рис.3.11), и переход в область насыщения также произойдет при меньших значениях выходного напряжения (точка В ` на рис.3.11).
Восходящий участок характеристики называют областью проводимости канала, а пологий, как уже говорилось, областью насыщения.
Если на вход полевого транзистора подается переменное напряжение, а на выходе включено сопротивление нагрузки, то ширина p-n перехода и величина выходного тока будут изменяться в соответствии с изменением входного напряжения и на сопротивлении нагрузки также появится переменное напряжение I_выхR_н, т.е. полевой транзистор обладает усилительными свойствами и тем большими, чем глубже модуляция канала при тех же значениях входного напряжения. Для увеличения глубины модуляции ширина кристалла полупроводника должна быть соизмерима с шириной перехода, а его удельное сопротивление должно быть большим; для получения малой ширины канала p-n переход конструктивно выполняется в виде кольца, охватывающего кристалл (см. рис.3.12) .

Из рассмотрения принципа действия полевого транзистора и его выходных характеристик, можно сделать вывод, что он напоминает электронную лампу (затвор играет роль сетки, исток — катода, а сток — анода) и что схемы с полевым транзистором должны мало отличаться от схем с электронными лампами. Поэтому в качестве параметров полевого транзистора, так же как и для электронной лампы, применяют крутизну, внутреннее сопротивление и граничную частоту:
а) крутизна — характеризует эффективность управляющего действия затвора. Значение крутизны для полевого транзистора лежит в пределах 1 ё 20 ма/в;
б) внутреннее сопротивление переменному току при Uвх=const. В области насыщения внутреннее сопротивление может достигать порядка нескольких мегаом;
в) граничная частота fгр.
Так как ток в выходной цепи является током основных носителей заряда, то граничная частота не зависит от времени жизни неосновных носителей заряда и может быть больше, чем у биполярных транзисторов. Ее величина определяется временем прохождения носителей по каналу и постоянной времени входа

В выражении в понятие Cзатв. входит как входная емкость, характеризующая инерционность процесса перераспределения зарядов при изменении напряжения, так и емкость связи, которая, так же как и проходная емкость в электронной лампе, создает частотную зависимость обратной связи между выходом и входом и определяет частотные свойства прибора. В понятие Rзатв входит как дифференциальное сопротивление запертого p-n перехода, так и сопротивление связи, являющееся распределенным объемным сопротивлением полупроводника, которое, так же как и сопротивление базы в биполярных транзисторах, обусловливает наличие внутренней обратной связи между выходом и входом.
Как и в биполярных транзисторах, существование внутренней обратной связи усугубляет уменьшение величины входного сопротивления при повышении частоты.
Можно сказать, что предельная частота полевых транзисторов тем больше, чем меньше длина канала. Значения граничной частоты для полевого транзисторов доходят до тысяч мегагерц.
В настоящее время полевые транзисторы широко используются в схемах современной электронной аппаратуры. Этому способствует ряд их преимуществ перед биполярными транзисторами, которые появляются потому, что в полевых транзисторах не используется явление инжекции. К ним относятся:
а) высокое входное сопротивление порядка (106 ё 109) ом (входные током является ток обратно смещенного p-n перехода);
б) высокая предельная частота;
в) малый собственности уровень шумов (0.5 ё 5) дб;
г) устойчивая работа при повышенном уровне радиации;
д) слабая зависимость параметров от температуры.
К недостаткам полевых транзисторов следует отнести существование обратной связи между выходной и входной цепями.
Еще более повысить входное сопротивление полевого транзистора, а также повысить эффективность управления током позволяет конструкция, в которой на поверхность полупроводника между источником стоком и истоком нанесен слой диэлектрика; на диэлектрик наносится металлический электрод-затвор. Такие приборы, конструкция которых показана на рис.3.12, называются МДП — транзисторами (металл — диэлектрик — полупроводник).
Между истоком и стоком транзисторов с изолированным затвором на поверхности полупроводника (на рис.3.12 n- полупроводника) располагается проводящий канал с противоположным типом проводимости канала при изменении потенциала металлического затвора.
Основным преимуществом полевого транзистора с изолированным затвором перед полевым транзистором с p-n переходом является более высокое значение величины входного сопротивления (порядка 1015 ом), которая определяется токами утечки через сопротивление изоляции между металлом и полупроводником и то, что величина входного сопротивление не зависит от полярности напряжения на затворе.

Сайт ориентирован на работу в INTERNET EXPLORER 4.0 и выше.
Разрешение 800х600 и больше. Используйте кнопку F11

©, Центр телекоммуникационных технологий, авторы, 2002
webmasters: Р.Романов Г.Сидоров e-mail: physics@tspu.tula.ru