транзистори

Вступ

Напівпровідникові прилади (діоди і транзистори) завдяки малим габаритам і масі, незначного споживання електроенергії, високої надійності і довговічності широко застосовуються в різній радіоелектронної апаратури. В даний час майже вся побутова радіоелектронна техніка, включаючи телевізори, приймачі, магнітофони та ін., Працює на напівпровідникових приладах і мікросхемах. Застосування напівпровідникових приладів в електронних обчислювальних машинах дозволило вирішити проблему досягнення високих експлуатаційних параметрів ЕОМ при забезпеченні необхідної надійності. Для конструювання надійних схем на транзисторах, тобто для правильного вибору типу транзистора, грамотного розрахунку схем, вибору оптимального теплового і електричного режимів, необхідно мати у своєму розпорядженні докладними відомостями, що характеризують експлуатаційні властивості транзисторів.

Дія транзистора можна порівняти з дією греблі. За допомогою постійного джерела (плину ріки) і греблі створений перепад рівнів води. Витрачаючи дуже невелику енергію на вертикальне переміщення затвора, ми можемо управляти потоком води великої потужності, тобто управляти енергією могутнього постійного джерела

Термін служби напівпровідникових тріодів і їх економічність у багато разів більше, ніж у електронних ламп. За рахунок чого транзистори знайшли широке застосування в мікроелектроніці - теле-, відео-, аудіо-, радіоапаратурі і, звичайно ж, в комп'ютерах. Вони заміняють електронні лампи в багатьох електричних ланцюгах наукової, промислової і побутової апаратури.

Переваги транзисторів у порівнянні з електронними лампами - ті ж, як і у напівпровідникових діодів - відсутність розжареного катода, що споживає значну потужність і потребуючого часу для його розігріву. Крім того, транзистори самі по собі у багато разів менше за масою і розмірами, ніж електричні лампи, і транзистори здатні працювати при більш низькій напрузі і більш високих частотах.

Але поряд з позитивними якостями, тріоди мають і свої недоліки. Як і напівпровідникові діоди, транзистори дуже чутливі до підвищення температури, електричним перевантаженням і сильно проникаючим випромінюванням (щоб зробити транзистор більш довговічним, його поміщають в спеціальні корпуси).

Основні матеріали з яких виготовляють транзистори - кремній і германій, перспективні - арсенід галію, сульфід цинку і широко зонні провідники.

Існує 2 типу транзисторів: біполярні і польові.

Біполярний транзистор являє собою транзистор, в якому використовуються заряди носіїв обох полярностей.

Електронно - дірковий p - n перехід

В основі принципу дії переважної більшості напівпровідникових приладів лежать процеси, що відбуваються в перехідному шарі, утвореному в напівпровіднику на кордоні двох зон з проводимостями різного типу, p і n типу. Для простоти цю межу прийнято називати p - n переходом, або електронно - дірковий переходом, що характеризує вид основних носіїв зарядів в двох примикають один до одного зонах напівпровідника.

Розрізняють два види p - n переходів: площинний і точковий. Площинний перехід може бути отримане шляхом приміщення шматочка домішки, наприклад, індію на поверхню германію n типу і подальшого нагрівання до розплаву домішки. При підтримці певної температури протягом певного часу відбувається дифузія частини атомів домішки в пластинку напівпровідника на невелику глибину. Створюється зона з провідністю, протилежної провідності вихідного напівпровідника, в даному випадку p типу для n германію.

Точковий перехід виходить в результаті встановлення щільного електричного контакту тонкого провідника, що має електронну провідність, з поверхнею напівпровідника p типу. Саме на цьому принципі діяли перші кристалічні детектори, які застосовувалися в 20 - 30-х роках.

Але такі детектори були вкрай чутливі до положення загостреного кінця зволікання на поверхні напівпровідника, до чистоти його поверхні, внаслідок чого доводилося дуже часто підлаштовувати його. Свою назву детектор отримав від англійського слова, що означає пристрій, призначений для виявлення в даному випадку сигналу і чутливої ​​точки. В даний час точкові переходи виходять шляхом вплавліванія кінця тонкого металевого дроту в поверхню напівпровідника n типу. Вплавлення здійснюється в момент подачі короткочасного потужного імпульсу електричного струму. Під дією тепла, яке утворюється за цей короткий проміжок часу, частина електронів виривається з атомів напівпровідника, що знаходяться поблизу точкового контакту, залишаючи після себе дірки. В результаті цього невеликий обсяг напівпровідника n типу в безпосередній близькості від контакту перетворюється в напівпровідник p типу.

Характерною особливістю p - n переходу є різко виражена залежність його електричної провідності від полярності прикладеної до нього зовнішньої напруги, чого ніколи не спостерігається в напівпровіднику однієї провідності. Для того щоб усвідомити, чому це відбувається, треба звернутися до дії зовнішнього напруги різної полярності, що прикладається до двох зон напівпровідника, що має провідності різного типу.

У тому випадку, коли позитивний полюс напруги прикладений до зони p, де основними носіями заряду є дірки, а негативний полюс - до зони n, де основні носії заряду - електрони, під дією зовнішнього поля дірки будуть відштовхуватися позитивним потенціалом, а електрони - негативним. Під дією цих сил дірки і електрони будуть рухатися назустріч один одному, до p - n переходу, де відбувається їх рекомбінація. Поки докладено напруга, через перехід весь час тече струм. Чим більша напруга, тим більше буде струм через перехід. У цьому випадку прийнято говорити, що перехід включений в прямому напрямку, що характеризується малим опором і великим струмом.

Якщо змінити полярність включення зовнішнього джерела, то дірки будуть притягатися до негативного полюса, а електрони - до позитивного. Під дією цих сил електрони і дірки будуть рухатися в напрямку від переходу, внаслідок чого перехід буде збіднений носіями заряду, число рекомбінацій значно скоротиться, і, як наслідок цього, струм через перехід стане дуже малим. У цьому випадку говорять, що до переходу докладено напруга в зворотному, запорном напрямку, коли опір переходу велике, провідність і струм малі. Завдяки своїй здатності добре пропускати струм в одному напрямку і погано - в іншому p - n перехід має випрямляють властивостями, широко використовуються в напівпровідникових діодах, які є найпростішими і історично самиміпервимі напівпровідниковими приладами. Відповідно до виду переходу розрізняються площинні і точкові діоди, які можуть бути кремнієвими або германієвими.

Величина струмів в прямому і зворотному напрямках різняться в десятки, сотні разів. Звертає на себе той факт, що залежність струму від величини напруги не є лінійною. Різке збільшення струму в зворотному напрямку при великому замикаючому напрузі вказує на погіршення електричної міцності переходу при високій напрузі.

Іншою характерною особливістю p - n переходу є сильна залежність його властивостей від температури. У міру підвищення температури значно зростає зворотний струм переходу, знижується допустимий зворотна напруга. При підвищенні температури і постійній напрузі прямий струм збільшується. При цьому для збереження колишнього значення струму необхідно зменшувати напругу зміщення в середньому на 5о МВ на кожні 10 градусів.

Використання властивостей p - n переходу лежить в основі принципу дії різних видів напівпровідникових приладів, найпоширенішими з яких є напівпровідникові діоди і транзистори.

біполярні транзистори

На відміну від напівпровідникових діодів біполярні транзистори мають два електронно - діркових переходу. Підставою приладу служить пластина напівпровідника, звана базою. З двох сторін в неї вплавлена ​​домішка, що створює області зпровідністю, відмінною від провідності бази. Таким чином отримують транзистор типу n - p - n, коли крайні області є напівпровідниками з електронною провідністю, а середня - полупроводником з доречнийпровідністю, і транзистор типу p - n - p, коли крайні області є напівпровідниками з доречнийпровідністю, а середня - полупроводником з електронною провідністю. Нижню область називають емітером, а верхню колектором. На кордонах областей з різною провідністю утворюються два переходи. Перехід, утворений поблизу емітера, називається емітерним, поблизу колектора - колекторним. При використанні транзистора в схемах на його переходи подають зовнішні напруги. Залежно від полярності цих напруг кожен з переходів може бути включений або в прямому, або в зворотному напрямку. Відповідно розрізняють три режими роботи транзисторів: режим відсічення, коли обидва переходу замкнені; режим насичення, коли обидва переходу відімкнуті; активний режим, коли емітерний перехід частково відімкнутий, а колекторний замкнений. Якщо ж емітерний перехід зміщений у зворотному напрямку, а колекторний - в прямому, то транзистор працює в зверненому (інверсному) включенні.

В основному транзистор використовується в активному режимі, де для зміщення емітерного переходу в прямому напрямку на базу транзистора типу p - n - p подають негативна напруга щодо емітера, а колектор зміщують в зворотному напрямку подачею негативної напруги щодо емітера. Напруга на колекторі зазвичай в кілька разів більше напруги на емітер.

Класифікація. Транзистори кваліфікуються по вихідного матеріалу, що розсіюється, діапазону робочих частот, принципом дії і т. Д. В залежності від вихідного матеріалу їх поділяють на дві групи: германієві і кремнієві. Германієві транзистори працюють в інтервалі температур від - 60 до + 78 ... 85 градусів, кремнієві - від -60 до + 120 ... 150 градусів. За діапазону робочих частот їх ділять на транзистори низьких, середніх і високих частот, за потужністю - на класи транзисторів малої, середньої та великої потужності. Транзистори малої потужності ділять на шість груп: підсилювачі низьких і високих частот, малошумні підсилювачі, перемикачі насичені, ненасичені та малотоковие (переривники); транзистори великої потужності - на три групи: підсилювачі, генератори, перемикачі. За технологічною ознакою поділяють транзистори сплавні, сплавно - дифузійні, дифузійно - сплавні, планарні, епітаксіальні, конверсійні, епітаксійних - планарні.

Позначення типу біполярних транзисторів складається з декількох елементів. Перший елемент позначає вихідний матеріал, з якого виготовлений прилад: германій або його сполуки - Г; кремній або його сполуки - К; з'єднання галію - А. Для транзисторів, використовуваних в пристроях спеціального призначення, встановлені наступні позначення вихідного матеріалу: германій або його сполуки - 1; кремній та його сполуки - 2; з'єднання галію - 3. Другий елемент - підклас напівпровідникового приладу. Для біполярних транзисторів другим елементом є буква. Третій елемент - призначення приладу. Четвертий і п'ятий елементи - порядковий номер розробки і технологічного типу приладу (від 01 до 99). Шостий елемент - розподіл технологічного типу на параметричні групи (літери російського алфавіту від А до Я). Наприклад, транзистор, призначений для пристроїв широкого застосування, германієвого, низькочастотний, малої потужності, номер розробки 15, група А - ГТ115А.

Набори дискретних напівпровідникових приладів позначаються відповідно до їх різновидом і перед останньому додається букв С.

Позначення типу транзисторів, розроблених до 1964 року, складається з трьох елементів: перший - буква П (напівпровідниковий тріод, транзистор); другий - цифра (порядковий номер розробки); третій - буква, відповідна різновиди транзистора даного типу.У позначення модернізованих транзисторів входить буква М (наприклад, МП101А, МП21В).

Підсилювальні властивості біполярних транзисторів

посилення струму

Зазвичай залежність струму колектора від струму емітера виражається через коефіцієнт посилення по току, який позначається буквою а ( «альфа»). Цей коефіцієнт визначається як відношення приросту струму колектора Ік до кликнув його приросту струму емітера Iе, а саме

За рахунок близького розташування переходів і внаслідок досконалої технології виробництва величина а сучасних площинних транзисторів зазвичай знаходиться в межах від 0,9 до 0,997.

Одному і тому ж приросту струму емітера будуть відповідати різні значення викликаного ним збільшення струму колектора в залежності від вибору вихідної робочої точки на характеристиці. Це говорить про те, що величина коефіцієнта а залежить від напруги на колекторі і струму емітера.

При малих напругах колектора коефіцієнт а зростає із збільшенням напруги. Це пояснюється в основному тим, що при малих напругах носії зарядів бази мляво втягуються в колектор, але чим більше напруга на колекторі, тим енергійніше відбувається втягування. Нак5онец, при напрузі близько 2 - 3 в практично всі носії зарядів, що опиняються поблизу колекторного переходу, потрапляють на колектор. Тому подальше зростання струму колектора в міру збільшення напруги на ньому практично припиняється, а струм бази дещо зменшується. При напрузі, близькій до максимально допустимому для даного типу транзистора (зазвичай 15 - 60 в, іноді більше), знову спостерігається помітне зростання величини коефіцієнта а, яка може досягти одиниці і більше. Але такий режим роботи практично не використовується і зазвичай не рекомендується, так як різко зростає небезпека виходу з ладу транзистора.

Залежність величини коефіцієнта а від режиму роботи транзистора викликає необхідність проведення вимірювань при відносно невеликих збільшеннях струму емітера. Зазвичай в таких випадках величина приросту Iе не перевищує 5 - 10% початкового значення струму емітера Iе:

Iе <(0,05 - 0,1) Iе.

Знаючи збільшення струму емітера Iе і величину коефіцієнта а, можна визначити пов'язане з цим збільшення струму бази Іб.

Дійсно струм бази Іб = Iе - Ік. Якщо виразити струм Ік через Iе, як

Ік = аIк, то отримаємо: Іб = Iе - аIе = Iе (1-а). Звідси випливає:

З огляду на, що величина величина вельми близька до одиниці, з останнього виразу можна зробити висновок: зміна струму емітера в раз більше пов'язаного з ним зміни струму бази.

Наприклад, якщо , то

;

якщо , то

.

Таким чином, змінюючи величину струму бази, можна управляти струмом емітера і, отже, струмом колектора.

Посилення транзистора по току залежить від схеми включення транзистора.

Залежно від того, який з трьох електродів транзистора є загальним для ланцюгів двох інших, розрізняються три основні схеми (способу) включення: із загальною базою (ПРО), загальним емітером (ОЕ) і загальним колектором (ОК). Крім трьох основних, є ще четверта, комбінована, схема включення, звана схемою з розділеної навантаженням. У схемі з розділеною частиною навантаження включена в ланцюг колектора (як в схемі ОЕ), а інша частина - в ланцюг емітера (як у схемі ОК).

У схемі із загальною базою вхідним електродом є катод, вихідним колектор. Відповідно до цього вхідним параметром є струм емітера Iе, вихідним - струм колектора Ік, а коефіцієнт посилення по току Кi для схеми із загальною базою, як це було показано вище, дорівнює:

У схемі з загальним емітером вхідним електродом є база, вихідним - колектор. Це означає, що вхідним параметром є струм бази Іб, вихідним - струм колектора Ік, а коефіцієнт посилення по току для схеми із загальним емітером дорівнює:

Зазвичай коефіцієнт посилення по току для схеми із загальним емітером позначається буквою :

Так як струм бази в більшості випадків в десятки - сотні разів менше струму колектора, то величина коефіцієнта посилення повинна бути багато більше одиниці. Дійсно, після підстановки значень в формулу для виходить: У цьому великі переваги схеми із загальним емітером в порівнянні зі схемами з загальною базою, посилення по току який не перевищує одиниці.

У схемах із загальним колектором вхідним електродом служить база, вихідним - емітер. Відповідно до цього вхідним параметром є струм бази Іб, вихідним - струм емітера Iе. Коефіцієнт посилення по струму Кi для цієї схеми включення дорівнює:

тобто посилення по току для цієї схеми включення приблизно дорівнює посилення по току схеми із загальним емітером.

У схемі з розділеною навантаженням вхідним електродом є база, вихідними - емітер і колектор. Отже, вхідним параметром є струм бази Іб, вихідними параметрами - струми емітера і колектора, Iе і Ік. Коефіцієнт посилення струму для емітерний цінуй дорівнює , А для колекторної - , Тобто в середньому можна вважати, що для обох вихідних ланцюгів

посилення потужності

Коли йдеться про підсилювальні властивості того чи іншого приладу, то зазвичай мається на увазі в першу чергу посилення по потужності. Кількісною оцінкою підсилюючих властивостей є коефіцієнт посилення за проектною потужністю Кр, що показує, у скільки разів вихідна потужність Рвих більше потужності, введеної у вхідні ланцюг приладу Рвх

Потужність може виражатися через квадрат струму або напруги. В першому випадку

вих; вх

отже,

де Кi - коефіцієнт посилення по току.

У другому випадку

отже,

де - коефіцієнт посилення по напрузі.

У тому випадку, коли відома величина Кр, а потрібно знайти посилення по напрузі, можна скористатися похідною формулою:

Остання формула часто використовується для оцінки посилення різних каскадів на транзисторах.

Оскільки величина Кр не залежить від того, через які саме величини U і I її знаходили, то можна прирівнювати між собою

звідси випливає:

.

Таким чином, знаючи коефіцієнт посилення по току Кi, а також величини вхідного і вихідного опорів, можна визначити посилення по напрузі або потужності.

У ряді випадків розрахунок підсилення за напругою доцільно проводити за формулою:

де - крутизна вхідний характеристики транзистора, яка визначає підсилювальні властивості приладу. Крутизна вхідний характеристики, звана просто крутизною S, має розмірність струм / напруга, тобто а / в або ма / в і характеризує, наскільки змінюється вихідний струм підсилювального приладу в амперах або міліампер при зміні вхідної напруги на один вольт. У цьому визначення крутизни характеристики транзистора практично не відрізняється від відомого визначення крутизни характеристики електронних ламп.

Основна перевага останньої формули записи посилення напруги в простоті її написання і застосування, оскільки відпадає необхідність в попередніх громіздких розрахунках коефіцієнта посилення струму і вхідного опору. Використовуючи деякі наближені вирази для визначення величини S, можна швидко і з достатньою точністю розрахувати підсилювальні можливості найрізноманітніших транзисторних пристроїв.

Для аналізу тих чи інших транзисторних пристроїв, крім знання величин і S, необхідно враховувати еквівалентну схему заміщення транзистора. В еквівалентній схемі заміщення найбільш істотних фізичних процесів певного режиму роботи транзистора в цьому пристрої знаходять відображення у вигляді деяких активних і пасивних елементів як, наприклад, генератора струму, ємностей і активних опорів.

Еквівалентна схема, як правило, не враховує всю сукупність фізичних властивостей транзистора, а лише тільки ті з них, які є визначальними для даного режиму роботи і діапазону частот. Тому розрізняються еквівалентні схеми для підсилювального режиму, для режиму перемикання, низькочастотні, високочастотні еквівалентні схеми і т. Д.

Частотні властивості транзисторів

Наведені вище підсилювальні характеристики транзисторів були отримані без урахування можливого впливу ємностей емітерного переходу Се і колекторного переходу Ск, що цілком допустимо при посиленні частот, що обчислюються кілогерц.На більш високих частотах з цими ємностями доводиться рахуватися, так як їх реактивне опір стає порівнянним з активними опорами відповідних переходів. Вплив ємностей переходів проявляється в зменшенні вхідного і вихідного опору, що позначається на підсилювальні властивості транзисторів. Чим вище стає частота сигналу, тим меншим посиленням володіє транзистор. Нарешті, на деяких частотах вище певної межі, властивого кожному типу транзисторів, підсилювальні властивості повністю вичерпуються. Це означає, що, починаючи з певної частоти, посилення транзистора по потужності стає менше одиниці.

Спостережуване погіршення підсилюючих властивостей транзисторів у міру збільшення частоти сигналу фізично пов'язаний із середнім часом переміщення носіїв електричних зарядів в базі в напрямку від емітера до колектора. У свою чергу, це час визначається середньою швидкістю і напрямком руху носіїв, а також товщиною бази.

Чим тонше бази, ті менше відстань треба буде пройти носіям, тим краще частотні властивості транзистора. Наприклад, гранична частота посилення по току fа змінюється обернено пропорційно квадрату товщини бази. Це означає, що зменшення товщини бази, наприклад, в 2 рази призводить до збільшення граничної частоти в 4 рази.

Середня швидкість руху носіїв залежить від знака заряду і температури кристала приладу, а направлённость руху визначається електричним полем, чинним в базі. Середня швидкість руху електронів в 2 рази вище, ніж дірок. У зв'язку з цим вважається, що за інших рівних умов транзистори типу n - p - n повинні мати граничні частоти вдвічі вище, ніж p - n - p, оскільки неосновними носіями заряду в першому випадку є електрони, а в другому - дірки, маючи при цьому на увазі область бази.

У площинних транзисторах, отриманих сплавним методом, поле всередині бази практично відсутня, а тому носії заряду поширюються в базі тільки за рахунок дифузії, тобто мимовільно і ненаправлено.

Якщо всередині бази створити електричне поле, що прискорюють рух носіїв від емітера до колектора, то тоді ці носії будуть мати додаткову складову швидкості в цьому напрямку, яка називається дрейфовой складової. Останні обставина призведе до зменшення часу перенесення зарядів, що поліпшить частотні властивості транзистора. Таке поле можна створити, наприклад, за рахунок нерівномірного розподілу домішок в базі (максимальна у емітера, мінімальна у колектора), що зазвичай і робиться на практиці.

Направлений рух електричних зарядів в електричному полі називається дрейфом, тому транзистори, в базі яких створюється прискорює поле, називаються дрейфовими. У свою чергу, транзистори, в основі яких відсутнє таке поле, називаються бездрейфовий.

Таким чином, для поліпшення частотних властивостей транзистора необхідно зменшити товщину бази і створювати прискорює електричне поле в базі. Сплавні транзистори, як правило, мають граничні частоти не вище 20-30 МГц, так як сам метод їх виготовлення не дозволяє отримати дуже тонку базу і необхідний розподіл домішок в базі.

Дифузійний метод дозволяє отримувати базовий шар товщиною в кілька мікрон і необхідну зміну концентрацій домішок в базі, що дає можливість створювати транзистори, що працюють на високих частотах, вимірюваних сотнями мегагерц. Зазвичай такі транзистори називаються дрейфовими або дифузійними в залежності від того, що необхідно підкреслити: характер перенесення носіїв заряду або метод виготовлення транзистора.

Максимальної частотної генерації Fмакс називається частота, на якій коефіцієнт підсилення по потужності транзистора в схемі із загальною базою дорівнює одиниці, тобто .

Відносна частота f / Fмакс

4 0 10000

3 0 1000

20 100

10 10

0 1

1,0

На графіку в логарифмічна масштабі наведена відносна частотна характеристика максимального коефіцієнта посилення за проектною потужністю Кр макс, яким володіє транзистор в схемі із загальною базою. Похила ділянка характеристики відповідає області частот, де вихідний опір транзистора визначається головним чином реактивним опором ємності колекторного переходу Ск. На цих частотах

Кр макс = ,

де f - частота підсилюється сигналу.

Плоска частина характеристики відповідає частотам, на яких впливом ємностей Се і Ск можна знехтувати і де Кр макс Внаслідок великого розкиду параметрів rк і rб може мати значення від 30 до 40дБ.

Таким чином, для того щоб транзистор міг забезпечити посилення по потужності приблизно 10000 разів (40 дБ), необхідне виконання умови

Якщо необхідно отримати посилення по потужності не менше 1000 (30 дб), то частота Fмакс повинна бути принаймні в 30 разів більше частоти сигналу. У тих випадках, коли від транзистора потрібне посилення по потужності близько 100 раз (20 дб), можливе застосування транзисторів, у яких Fмакс 10f.

Зазвичай в довідниках вказується величина Fмакс високочастотних транзисторів, у яких вона обчислюється десятками мегагерц. У транзисторів, максимальна частота генерації яких становить сотні кілогерц або кілька мегагерц, зазвичай вказується гранична частота посилення по струму в схемі із загальною базою fа. Величина fа вказує частоту, на яку посилення по струму в схемі із загальною базою зменшується до = 0,7

МГц,

де fа - гранична частота посилення по току в МГц;

rб - опір бази на високих частотах в Ом;

Ск - ємність колекторного переходу в пікофарад.

Наближене значення Fмакс можна визначити і за іншою формулою

Fмакс = kfа,

де до - коефіцієнт пропорційності.

Для транзисторів з невисокою частотою fа (до 2 - 3 МГц) k = 2 - 3, для транзисторів, у яких fа = 20 - 30 МГц, k 1, а для більш високих значень fа k = 0,7 - 0,9.

У більшості випадків для високочастотних транзисторів можна допускати k = 0,7.

Таким чином, якщо відома величина fа, то можна знайти що становить

значення f макс.

Необхідно вказати, що коефіцієнт посилення по струму в схемі із загальною базою на високих частотах вимірюється модулем коефіцієнта , Тобто його абсолютним значенням .

Значення модуля коефіцієнта посилення по току на деякій частоті f можна визначити за формулою

де - значення коефіцієнта на найнижчих частотах (кілька сотень Гц).

З формули видно, що на частотах величина , А на частотах починає різко знижуватися. З цієї причини для підсилювачів електричних сигналів підбираються транзистори, у яких fа в кілька разів перевищує максимальну частоту сигналу.

У схемі з загальному емітером залежність від частоти максимального посилення по потужності точно така ж, як і для схеми із загальною базою. Але зниження посилення по току відбувається значно швидше, ніж це спостерігається в схемі із загальною базою.

Посилення по струму на високих частотах в схемі з загальним емітером характеризується модулем, т. Е. Абсолютною величиною коефіцієнта , Що визначається за формулою

де - посилення по току на найнижчих частотах;

fm- гранична частота посилення по току для схеми із загальним емітером, на якій .

Частота, на якій називається граничною частотою посилення по струму в схемі з загальним емітером і позначається як :

Ця частота безпосередньо не визначає будь - яких частотних меж застосування транзисторів. Однак вона вказує ту область частот, в межах якої можна знехтувати частотної залежністю параметрів транзистора при включенні його за схемою з загальним емітером.

Шумові характеристики транзисторів

Транзистор так само, як і будь-який інший підсилювальний прилад, володіє деякими власними шумами, наявність яких ускладнює посилення слабких сигналів. Якби транзистор був ідеальним підсилювальним пристроєм, то вихідні шуми визначалися б тільки величиною теплових шумів, що діють на вході підсилювача. Шумові характеристики виражаються коефіцієнтом шуму Fш.

Коефіцієнтом шуму підсилювача називається відношення повної потужності шумів на виході посилення до тієї частини шумів на виході, яка викликана тепловими шумами джерела сигналу. Іншими словами, коефіцієнт шуму Fш вказує у скільки разів власні шуми підсилювача більше теплових шумів вихідного опору джерела сигналу.

Зазвичай величина Fш оцінюється в децибелах. Особливістю транзисторів є те, що для них величина Fш багато в чому залежить від режиму по постійному струму, зворотного струму колектора, вихідного опору джерела сигналу і частоти. Мінімальний рівень шумів більшості типів площинних транзисторів спостерігається при Uк = 1,5 - 2 в, Ік = 0,2 - 0,5 ма, мінімальному струмі Iко і внутрішньому опорі джерела сигналу = 300 - 1000 ам.

Від найнижчих частот до частоти 1000 Гц величина Fш зменшується обернено пропорційно частоті. На частотах вище аж до деякої частоти рівень Fш залишається мінімальним і незалежним від частоти. На частоті вище величина Fш росте приблизно пропорційно квадрату частоти.

Розрахунки і експерименти показують, що на частоті модуль крутизни вхідний характеристики становить 70% від свого значення на низьких частотах, тому в технічній літературі можна зустріти і інше позначення граничної частоти , Яку називають також граничної частотою крутизни

Таким чином, область частот, де спостерігається помітне зростання коефіцієнта шуму, характеризується значним погіршенням підсилюючих властивостей транзистора, внаслідок чого використання транзисторів на частотах вище недоцільно.

Зазвичай коефіцієнт Fш вимірюється га частоті 1000 Гц. При зазначених вище режимах сучасні низькочастотні транзистори на цій частоті можуть мати коефіцієнт шуму від 35дБ до 30 - 35дБ. Високочастотні транзистори мають набагато менше коефіцієнт шуму, який в середньому становить 6 - 10дб.

Польові транзистори.

Загальні відомості

Уніполярний (польовий) транзистор являє собою напівпровідниковий трёхелектродний прилад, в якому управління струмом, створюваним спрямованим рухом носіїв заряду одного знака між двома електродами, досягається за допомогою напруги (електричного поля), прикладеного до третього електроду. Електроди, між якими протікає рабочіё ток, носять назви витоку і стоку, причому джерелом вважається той електрод, через які носії втікають в прилад. Третій електрод називається затвором. Зміна величини робочого струму в уніполярному транзисторі здійснюється шляхом зміни ефективного опору струмопровідного ділянки, напівпровідникового матеріалу між витоком і стоками званого каналом. Залежно від типу провідності напівпровідникового матеріалу каналу розрізняють уніполярні транзистори з p і n каналом. В якості вихідного матеріалу зазвичай використовуються кремній і германій, внаслідок чого одні полярні транзистори називаються кремнієвими, інші - германієвими.

Та обставина, що управління величиною робочого струму уніполярних транзисторів здійснюється за допомогою каналу, дало їм друга назва - канальні транзистори. Третя назва того ж самого напівпровідникового приладу - польовий транзистор характеризує те, що управління робочим струмом здійснюється електричним полем (напругою), а не електричним струмом, як це має місце в біполярному транзисторі. Ця остання особливість уніполярних транзисторів, що дає можливість отримувати дуже високий вхідний опір приладів, що обчислюються десятками і сотнями мегом, і визначила їх основне поширена назва - польові транзистори. Ця назва широко використовується в науково - технічної і радіоаматорського літературі.

Слід зазначити, що серед польових транзисторів розрізняються два основних види приладів - польові транзистори з p - n переходом між затвором і каналом і польові транзистори з ізольованим затвором. Ця різниця зумовлена, з одного боку, особливостями їх виготовлення, а з іншого - своєрідністю електричних характеристик і схем включення.

Принцип дії і пристрій

польового транзистора з p - n переходом

Домішка n типу заряд (З) Рис 1.поздовжній

Исток (І) Сток (С) розріз польового

транзистора з p

каналом і p - n

переходом.

Кристал p типу

Канал

p- n перехід

На рис.1 наведено умовне схематичне зображення поздовжнього розрізу польового транзистора з p каналом і p - n переходом. Як видно з цього малюнка, основою є малопомітна пластина напівпровідника певної провідності (в даному випадку p типу), що має на протилежних кінцях два контакти, витік і стік, обозначённие скорочено літерами І і С. Товщина пластинки в місці установки третього електрода - затвора робиться дуже і дуже малої, рівній всього декількох одиницях або десяткам мікрон. Електронно - дірковий перехід може бути отримане шляхом вплавліванія або дифузії відповідної домішки, а управління опором каналу проводиться за рахунок зміни обсягу каналу напівпровідника збідненого основними носіями або подачі замикаючої напруги на перехід. Зміна опору призводить до зміни струму через транзистор. На рис. 1 область, збіднена носіями, обмежена пунктирною лінією.

Своєрідна форма і зміна обсягу збідненої області каналу обумовлені тим, що канал транзистора робиться з матеріалу з малою концентрацією домішки, високоомного, тоді як затвор - з матеріалу з великою концентрацією домішки, низкоомного. Тому шар збіднений рухливими носіями заряду, поширюється в область каналу, розширюючись у напрямку до стоку. Останнє об'есняется тим, що величина замикаючої напруги для p - n переходу польового транзистора зростає зі збільшенням відстані від джерела і має максимальну величину у стокового кінця. Пов'язано це з впливом додаткового падіння напруги в каналі при проходженні через нього струму стоку. Звідси характерна форма збідненого шару на ділянці поблизу стоку, внаслідок чого струм стоку може протікати тільки через ту частину каналу, де ще присутні основні носії заряду.

На рис. 2 зображена залежність прохідного перетину каналу польового транзистора з p - n переходом від напруги зсуву між затвором і витоком (а) і витоком і стоком (б). Як видно з рис.26, а, збільшення

затвор Сток

Область, збіднена

носіями

Канал зарядів Канал

а б

Мал. 2. Залежність профілю прохідного перетину польового транзистора з p - n переходом від напруги зсуву між затвором і витоком (а) і витоком і стоком (б)

Н апряженія зміщення переходу призводить до розширення області збідненого шару. Збільшення ж напруги живлення, що подається між стоком і витоком, згідно рис.2, б, навпаки, стискає її, роблячи клиноподібної. І якщо перший фактор сприяє зменшенню струму, то другий - його збільшення.

3,0 3,5

I II III

2,5 3

2,0 2,5 Rc = 0 Rc = 5к

Rc = 0 2

1.5 Rc = 5ком 1,5 Rc = 15к

1.0 Rc = 15кОм 1 Ic

0,5 0,5

0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 6

Мал. 3 .Виходная вольт-амперна Рис. 4. Залежність струму стоку від

характеристика польового транзистора напруги затвора польового

транзистора

Сказане вище дозволяє пояснити своєрідний хід вольтамперних характеристик стоку при різних величинах напруги зсуву на затворі щодо витоку, приблизний вигляд яких показаний на рис. 3. Так, коли напруга зсуву дорівнює нулю, область збідненого шару мінімальна, площа поперечного перерізу каналу максимальна, а тому струм стоку зростає майже лінійно зі збільшенням напруги живлення від нуля до деякої величини, при якій починає позначатися вплив струму стоку на область збідненого шару . При подальшому підвищенні напруги живлення настає насичення каналу і струм через нього практично не змінюється аж до настання лавинного пробою, який спостерігається при напрузі живлення, що дорівнює зазвичай кільком десяткам вольт.

При подачі невеликого замикаючої напруги область збідненого шару збільшується в об'ємі, прохідний перетин каналу зменшується, і, як наслідок цього, знижується струм стоку. В цьому випадку насичення каналу настає при меншій напрузі харчування, ніж це було при нульовому зміщенні. І, нарешті, при подачі дуже великої напруги зсуву, коли область збідненого шару майже повністю перекриває канал, струм стоку стає настільки малим, що його можна вважати рівним нулю. Напруга зсуву, при якому струм стоку близький до нуля, називається напругою відсічення і позначається Uотс.

Прийнято вважати, що на ділянці вольт - амперної характеристики, обмеженою пунктирною кривою і віссю Ic (рис. 3), польовий транзистор поводиться як ламповий тріод або омічний опір. На ділянці, де характеристики йдуть практично паралельно осі напруги харчування, польовий транзистор аналогічний лампового пентода. Скорочено ці області називають тріодний і пентодная.

На рис. 3 видно, що в пентодной області величина струму стоку визначається напругою зміщення і не залежить від напруги стоку, внаслідок чого неможливо виразити залежність струму стоку від напруги затвора у вигляді однієї кривої, наприклад, подібної до тієї, що дана на рис. 4. Обидві характеристики польових транзисторів можуть бути зняті за допомогою лабораторної установки.

Основними параметрами вольт - амперної характеристик польових транзисторів є струм насичення Iо, напруга відсічення Uотс і крутизна S. По напрузі відсічення польові транзистори можна умовно розбити на три групи: з малим (до 4 в), середнім (4 - 8 в) і високим ( більше 8 в) напругою відсічення Uотс.

Крутизною вольт - амперної характеристики називається відношення зміни струму стоку до викликав його зміни напруги затвора, яка вимірюється в міліампер на вольт (мА / в), тобто

На малюнках 3 і 4 видно, що крутизна залежить від напруги затвора і максимальна при нульовому зміщенні. Це максимальне значення зазвичай позначається як Sо. Величина крутизни при інших значеннях напруги затвора може бути визначена для сучасних типів транзисторів по наведеній нижче формулі

З наведених вище графіків і формул слід, що при напрузі затвора, що дорівнює або більшому напруги відсічення, крутизна дорівнює нулю, тобто польовий транзистор перестає управляти робочим струмом.

Необхідно мати на увазі, що величина Sо і Iо пов'язані між собою простим співвідношенням

ма

Це означає, що максимальне значення крутизни чисельно в 2 - 2,5 рази менше струму насичення. Отже, для одержання більш високої крутизни потрібне збільшення струму насичення.

Еквівалентна схема заміщення

польового транзистора

При проведенні розрахунків підсилюючих схем на польових транзисторах для широкого діапазону частот можна користуватися еквівалентною схемою заміщення, наведеної на рис. 5. Тут rз - вхідний активний опір затвора; rи - активний опір витоку; кс - активний опір стоку; Сз - ємність затвора; СЗС - ємність між затвором і стоком; Св - ємність стоку. У сучасних кремнієвих дифузійних польових транзисторів rз = 100 - 200 МОм; rо = 100 - 500 КОм; rи = 200 - 1000 Ом; Сз = З = 5 - 10 пФ; Сз. з = 1 - 3 пФ. При цьому слід врахувати, що так само, як у біполярних транзисторів, величини вихідний і прохідній ємностей (З і Сз.с) зменшуються при підвищенні напруги живлення (стоку).

З атвор СЗС Iс = S * Uвх Сток Рис. 5. Еквівалентна

схема заміщення

(З) польового транзистора

при малому сигналі.

Сз rз rc Сс

rU

(І)

Исток

Польові транзистори можуть бути включені за чотирма схемами: з загальним витоком (ІС), загальним стоком (ОС), загальним затвором (ОЗ) і з розділеним навантаженням. Умовні графічні зображення всіх схем включення наведені на малюнку 6.

Р ис.6. Схеми включення польових транзисторів

а б

в г

У схемі із загальним витоком (рис. 6 а) вхідний сигнал подається на затвор щодо витоку, а вихідний - знімається між стоком і витоком. Максимальне посилення напруги досягається при опорі навантаження, багато більшому опору стоку, і називається воно власним коефіцієнтом посилення польового транзистора (Мю). Воно чисельно дорівнює добутку крутості на опір стоку

(Ком)

Наприклад, якщо взяти середні значення S = 0,5 ма / в і rc = 500 Ком, то отримаємо що саме по собі чимало.

У тому випадку, коли опір навантаження rн і стоку rc співмірні, коефіцієнт посилення напруги дорівнює

Якщо ж опір навантаження багато менше опору стоку, то з попередньої формули випливає більш простий вислів

(Ком),

З якого випливає, що посилення по напрузі прямо пропорційно добутку крутості на опір навантаження. Фізично це можна ілюструвати таким прикладом. Нехай величина вхідної напруги на затворі зменшилася на 1 в. Тоді згідно з раніше наведеним співвідношенням струм стоку повинен збільшитися на S ма. Ця зміна струму стоку викличе зміна падіння напруги на навантаженні rн (Ком) на величину U вих = Srн в. Оскільки спочатку було прийнято, що Uвх = 1 в, то коефіцієнт посилення по напрузі виявляється рівним

(Ком)

що відповідає останній виведеної формулою.

Як видно з розібраних прикладів, з точки зору підвищення посилення по напрузі бажано мати високі значення крутизни і опору навантаження. Правда, тут є свої розумні межі, так як підвищення крутизни пов'язано з ростом споживаного струму, а збільшення опору навантаження, особливо активної, вимагає значного підвищення напруги живлення. Дійсно, при Sо = 0,5 ма і Rн = 10 Ком маємо ма і в. Тобто тільки на активному опорі навантаження падає близько 12в. Напруга харчування повинно бути на 5 - 8в вище, отже, близько 17 - 20 ст.

Використання польових транзисторів не дає істотного виграшу в посиленні по напрузі порівняно з біполярними транзисторами. Але зате вони дають значне посилення потужності, внаслідок високого вхідного опору, яке на низьких частотах може становити десятки мегом. Біполярні транзистори мають вхідний опір в сотні і тисячі разів менше.

У схемі з загальним затвором (рис. 6 б) вхідним електродом є витік, вихідним - стік. Відрізняється ця схема низьким вхідним опором, рівним

.

Оскільки зазвичай виконується умова << rс, то з урахуванням >> 1 виходить наближене вираження

Це означає, що вхідний опір каскаду за схемою з загальним затвором дорівнює вихідному опору истокового повторювача і визначається тільки крутизною: чим вище крутизна, тим менше вхідний опір.

Дана схема, володіючи досить великим вхідним опором, багато в чому схожа на схему з загальною базою, і, також як схема із загальною базою, вона має найменшу внутрішню зворотний зв'язок. Коефіцієнт посилення по напрузі для схеми з загальним затвором знаходиться за формулою

З урахуванням зроблених раніше припущень >> 1 і rн <

(Ком),

тобто посилення по напрузі приблизно таке ж, як в схемі із загальним витоком, але низький вхідний опір обмежує застосування схеми з загальним затвором в порівнянні зі схемою з загальним витоком.

У схемі з загальним стоком (рис 6 в) вхідним електродом є затвор, а вихідним - витік. За своїм підсилювальним властивостями ця схема аналогічна емітерного повторювача, тільки зі значно більшим (в тисячі разів) вхідним опором. Вихідний опір схеми із загальним витоком невелике і визначається формулою

Подібно емітерного повторювача схема із загальним стоком не дає посилення по напрузі, тому часто називається Істоковий повторителем. У загальним випадку коефіцієнт передачі истокового повторювача може бути знайдений за формулою

Якщо врахувати, що зазвичай > 1, виходить

Крім того, допускаючи Srн> 1, виходить, що

тобто коефіцієнт передачі по напрузі истокового повторювача дуже близький до одиниці.

У схемі з розділеною навантаженням (рис. 6 г) вхідний опір і крутизна характеристики визначаються як для схеми із загальним витоком. Наприклад, вираз реальної крутизни схеми має вигляд

звідки випливає, що при виконанні умови rн.і >> rи крутизна характеристики практично не залежить від параметрів транзистора, а визначається опором навантаження в ланцюзі витоку

ма / в.

Коефіцієнт посилення по напрузі визначається за формулою

яка при виконанні нерівності rн.і> rи набирає вигляду

Отже, посилення напруги каскаду з розділеною навантаженням на польовому транзисторі визначається в основному ставленням опорів навантаження в ланцюгах стоку і витоку. Зокрема, за однакової кількості цих опорів коефіцієнти посилення ланцюгів витоку і стоку дорівнюють одиниці (приблизно).

Я наведу кілька прикладів користування спрощеними формулами для випадків, коли відомо, що польовий транзистор має параметри: S = 1 мА / в; rн = 300 Ом; rс = 500 Ком; rз = 200 Мом.Перші три параметри можна визначити за результатами зняття вихідний вольтамперної характеристики конкретного зразка транзистора. Останній параметр виміряти в оцінюється приблизно. У більшості випадків справні польові транзистори мають опір затвора ще більше.

Приклад 1. Транзистор використовується в каскаді посилення по схемі із загальним витоком. Опір навантаження rн = 10 ком. Визначити коефіцієнт посилення каскаду по напрузі.

Для цього випадку виконується умова rc> rн, а тому можна вважати, що коефіцієнт посилення по напрузі дорівнює

При цьому вхідний опір каскаду буде визначатися опором елементів зсуву в ланцюзі затвора, так як власне опір затвора дуже велике. Зазвичай в реальних умовах вхідний опір обчислюється сотнями кілом або декількома Мегом.

Приклад 2. Транзистор використовується в схемі із загальним затвором. Опір навантаження rн = 10 Ком. Визначити коефіцієнт посилення каскаду по напрузі і його вхідний опір.

Коефіцієнт посилення, так само як і в першому прикладі, визначається за формулою Кu = Srн і дорівнює Кu = 10. Вхідний опір, з урахуванням того, що транзистор включений за схемою із загальним затвором, так само

Rвх Ком.

Приклад 3. Транзистор використовується в каскаді за схемою із загальним стоком. Опір навантаження rн = 10 Ком. Знайти коефіцієнт посилення по напрузі і вихідний опір.

Посилення по напрузі в загальному випадку визначається за формулою

Після підстановки в неї вихідних даних виходить

Ком.

Тепер з урахуванням того, що Srн = 10, треба скористатися наближеному виразом Кu = 1 і порівняти обидва результату.

Вихідний опір каскаду знаходиться за формулою

rвих =

після підстановки вихідних даних виходить

rвих = Ком.

Але оскільки виконується умова Srн> 1, то можна скористатися наближеною формулою rвих в результаті чого виходить rвих = 1 Ком. Порівняння між собою обох результатів показує їх гарний збіг.

Приклад 4. транзистор працює в каскаді за схемою з розділеної навантаженням, причому опір навантаження в ланцюзі стоку rн.с = 10 Ком, в ланцюзі витоку rн.і = 5 Ком. Знайти посилення по напрузі ланцюгів стоку і витоку.

Оскільки виконується умова rн.і> rн, то посилення ланцюзі витоку приблизно дорівнює одиниці: Кu 1. З цієї ж причини посилення в ланцюзі стоку дорівнює відношенню опорів в ланцюгах стоку і витоку, тобто Кu.c = 10: 5 = 2.

Як видно з наведених прикладів, наближені формули цілком можна застосувати в аматорських розрахунках каскадів як на біполярних, так і на польових транзисторах, з урахуванням тих умов, при яких вони справедливі, а також на низьких частотах, де ще не позначається вплив частоти на параметри каскаду. Щодо великі значення вхідний, вихідний і прохідній ємностей еквівалентної схеми заміщення польового транзистора в порівнянні з дуже великими активними опорами тих же ланцюгів призводять до того, що частотні властивості польових транзисторів виявляються дещо гірше частотних властивостей біполярних транзисторів.

висновок

Транзистор являє собою напівпровідниковий прилад, призначений для використання в пристроях, які здійснюють генерацію і посилення електричних коливань. Основою будь-якого транзистора є кристалічна пластинка напівпровідника, в якому використовуються ті чи інші властивості напівпровідникового матеріалу і електронно - діркових переходів, в результаті чого неможливо за допомогою слабких керівників струмів або напруг отримувати більш потужні електричні коливання необхідного виду.

Подібно до того, як існує велика кількість різновидів діодів, відома велика кількість видів і різновидів транзисторів.

Транзистори розрізняються по числу основних видів носіїв заряду, які використовуються при роботі приладу. Транзистори, в яких використовуються обидва види носіїв, дірки і електрони, називаються біполярними. Залежно від геометричної структури розміщення зон з різною провідністю вони можуть бути прямий (p - n - p) або зворотного провідності (n - p - n). Транзистори, у яких використовується тільки один основний носій заряду, наприклад, тільки дірки або тільки електрони, називаються полярними

Найвідомішими і доступними є біполярні транзистори прямий (p - n - p) і зворотної (n - p - n) провідності. Менш відомі і доступні польові транзистори з каналом p і n типу.

Список літератури

1. Агаханян Т. М. Основи транзисторної електроніки. - М .: Енергія, 1974.

2. Бергельсон І. Г., Мінц В. І. Транзистори біполярні. - М .: Сов. Радіо, 1976.

3. Васильєв В. А. Радіоаматорові про транзисторах. - М .: ДОСААФ, 1973.

4. Діоди і транзистори / За редакцією Чернишова. - М .: Енергія, 1976.

5. Пєтухов В. М., Таптигін В. І., Хрулев А. К. Транзистори польові. - М .: Сов. Радіо, 1978.

6. Пляц О. М. Довідник по електровакуумним, напівпровідникових приладів і інтегральних схем. - Мінськ: Вишейшая школа, 1979.

7. Довідник по напівпровідникових діодів, транзисторів і інтегральних схем / За редакцією Н. І. Горюнова. - М .: Енергія, 1979.

8. Терещук Р. М., Терещук І. М., Седов С. А. Напівпровідникові приймально підсилювальні пристрій. Довідник радіоаматори. Видання друге, стереотипне. - Київ: Наукова думка, 1982.

9. Транзистори / За редакцією А. А. Чернишова. - М .: Енергія, 1979

Філія Санкт-Петербурзького державного інженерно-економічного університету в місті Пскові

Курсова робота по ТОПТу на тему:

транзистори

виконав:

студент групи 3350

1 курсу

факультету економіки і

управління на підприємстві

міського господарства

Іванов Сергій Васильович

Науковий керівник:

Марков Віктор Миколайович

Псков

2004

зміст

Вступ……………………………………………………………. 2

Електронно - дірковий p - n перехід ..................... ... ...... 3-4

Біполярні транзистори ........................................... ... .. 5-6

Підсилювальні властивості біполярних транзисторів ......... .... ... 7-11

Частотні властивості транзисторів ........................... .. .... ... 12-15

Шумові характеристики транзисторів ..................... .. ....... 16

Польові транзистори. Загальні відомості ............. .................. 17

Принцип дії і пристрій польового транзистора з p - n

переходом .................................................................. 18-21

Еквівалентна схема заміщення польового транзистора ......... 22-27

Висновок .................................................................. 28

Список літератури ...................................................... ... 29