книги из ГПНТБ / Учебник механика военно-воздушных сил. Радиооборудование самолетов

короткий промежуток времени теряет электрическую нейтральность. Положительный заряд немедленно ком­ пенсируется отрицательным зарядом, образующимся за счет прихода электронов из внешней цепи. Положитель­ ные и отрицательные заряды (парные заряды, называе­ мые еще неравновесными зарядами) движутся внутри базы диффузионно в сторону коллекторного перехода

Управляющий Управляемый I диод I диод I

6

Рис. III.II. Схемы, поясняющие принцип действия транзистора:

(в сторону меньшей их концентрации). Наряду с диффу­ зионным процессом происходит процесс рекомбинации, поэтому не все неравновесные парные заряды дости­ гают коллекторного перехода. Парные заряды, достиг­ шие коллекторного перехода, распадаются: «дырки» увле­ каются полем перехода, а электроны задерживаются этим полем и остаются у перехода, образуя объемный отрицательный заряд. В области базы образуется поле, которое «выталкивает» электроны через базовый вывод, что вызывает появление дополнительного тока /к в цепи коллектор—база.

Таким образом, при изменении тока эмиттера изме­ няется и ток коллектора, причем ток коллектора /н вследствие процесса рекомбинации всегда будет меньше

150

тока эмиттера /э на 0,5—5%. Ток базы h — разностный ток эмиттера и коллектора — будет небольшим.

На рис. ІІІ.11,а стрелками показаны направления токов, протекающих через транзистор. Если к цепи эмиттер—база, кроме постоянного напряжения, опре­ деляющего режим работы транзистора, подать перемен­ ное напряжение, то на сопротивлении нагрузки по­ явится переменное напряжение, вызванное изменением тока коллектора. Коэффициент пропорциональности а, определяющий связь между приращением эмиттерного

Подбирая напряжения источников питания и вели­ чину сопротивления нагрузки, можно получить необхо­ димое переменное напряжение на выходе схемы, т. е. осуществить усиление сигнала по напряжению и мощ­ ности.

На рис. III.11 ,б показано условное изображение транзисторов п-р-п и р-п-р типов.

На рис. ІІІ.П .в приведены для сравнения схемы усилительных каскадов, собранных на транзисторе и на электронной лампе.

Рассмотрим статические характеристики транзисто­ ра, выражающие,зависимость между токами и напря­ жениями на его входе и выходе. Зная статические ха­ рактеристики транзисторов, можно правильно выбрать режим его работы, определить параметры, рассчитать усиление каскада и т. д.

Транзистор и электронная лампа отличаются друг от друга по принципу работы. Однако статические харак­ теристики транзистора, выражающие зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе, внешне сходны с анодными характеристиками пентода, что в ряде случаев позволяет рассчитывать устройства на полупроводниковых триодах, используя методы расчета ламповых устройств.

Пользуясь статическими характеристиками транзи­ стора, можно найти его «ламповые» параметры, такие,

151

_ ш к

«-дТ^» Крутизна характеристики тока базы SÖ~

и др.

Для расчета каскада, в котором транзистор рабо­ тает при малых входных сигналах, необходимо знать величины ряда параметров в выбранной рабочей точке. Для этого достаточно определить наклон касательных к характеристикам триода в выбранной рабочей точке (рис. III.12). В качестве примера определим значения некоторых параметров транзистора в рабочей точке, со­ ответствующих напряжению на коллекторе UK = —5 в и смещению Uб = —0,2 в.

/„ ма

Рис. III.12. Схемы, поясняющие расчет параметров транзи­ стора по его статическим характеристикам

На рис. III. 12 приведены соответствующие построе­ ния. Проведя через рабочие точки касательные к харак­ теристикам и определив их наклон, получим

Однако при расчете схем следует обязательно учи­ тывать следующие принципиальные отличия транзисто­ ров от электронных ламп:

— изменение параметров транзисторов при измене­ нии температуры;

152

—малое входное сопротивление транзисторов;

—выход из строя транзисторов при изменении по­ лярности коллекторного напряжения;

—«пробой» транзисторов при повышении коллек­ торного напряжения.

В усилителях на транзисторах, как и в ламповых усилителях, могут иметь место нелинейные искажения.

Нелинейные искажения — это искажение формы сигна­ ла усилителем вследствие нелинейности вольт-амперных характеристик транзистора. Из рассмотрения характе­ ристик транзистора видно, что нелинейные искажения усилителя появляются в основном во входной цепи, так как форма тока эмиттера не полностью повторяет форму входного напряжения (рис. III.13, а), ток же коллектора, а следовательно, и напряжение на нагрузке повторяет форму тока эмиттера.

Из тех же характеристик видно, что для получения наименьших нелинейных искажений амплитуда вход­ ного сигнала должна быть минимальной, а рабочую точку надо выбирать на наиболее прямолинейном участке характеристик (рис. III.13, б).

Наибольшие

искажения

6

Рис. ІП.13. Вольт-амперные характеристики транзисторов:

а — схема, поясняющая характер нелинейных искажений усиливаемого сиг­ нала за счет нелинейности характеристик; б — схема, поясняющая характер изменения величины нелинейных искажений усиливаемого сигнала при изме­ нении его амплитуды

153

Из рассмотрения статических характеристик полу­ проводниковых триодов можно определить их рабочую область, которая ограничивается сверху и справа ли­ нией, характеризующей допустимую мощность рассеи­ вания, а слева и снизу — сильными нелинейными иска­ жениями (рис. III.14, а).

Одной из важнейших характеристик транзисторов, во многом определяющих область их применения, являются их частотные свойства.

Рис. ІИ .14. Характеристики транзисторов:

а — область допустимых режимов работы транзистора; б — график изменения предельной частоты усиления транзисторов в зависимости от величины на­ пряжения на коллекторе; в — график изменения предельной частоты усиле­ ния транзисторов от величины тока эмиттера; г — вольт-амперные характери­ стики транзистора при различных температурах

154

Частотные свойства транзисторов определяются в основном временем диффузионного распространения электрических зарядов (электронов и «дырок») через базовую область от эмиттера к коллектору. Это время зависит от ширины базовой области и скорости движе­ ния в ней зарядов. Ширина базовой области опреде­ ляется конструкцией транзистора и режимом его рабо­ ты. От режима работы зависит также величина емко­ сти р-п перехода, влияющая на частотные свойства транзистора.

С увеличением частоты сигнала в транзисторе на­ блюдаются уменьшение усиления сигнала и увеличение искажений сигнала, связанные с запаздыванием тока коллектора относительно тока эмиттера и размыванием объемных зарядов («пакетов» носителей), образован­ ных импульсами тока эмиттера.

Частотные свойства транзистора характеризуются параметром, получившим название предельной частоты усиления по току. Предельной частотой усиления тран­ зистора по току принято считать ту частоту сигнала /«, при которой коэффициент усиления транзистора по току а падает до 0,7 от его значения на низкой ча­ стоте.

Частотные свойства транзисторов во многом опре­ деляются технологией их изготовления. Существует не­ сколько методов изготовления транзисторов: метод вплавления, метод диффузии и т. д.

Методом вплавления трудно получить тонкую одно­ родную базовую область. Метод вплавления, который рассматривался выше, позволяет получить базовую область толщиной до 20 мк, что соответствует предель­ ной частоте усиления порядка 25 Мгц. Практически ме­ тодом вплавления . изготовляют транзисторы, работаю­ щие на частотах не более 1 —10 Мгц.

Одним из методов, используемых при изготовле­ нии высокочастотных транзисторов, является диффу­ зионный метод. Само название говорит о том, что в основе его лежит постепенное проникновение атомов одного вещества в другое вещество. При изготовлении транзисторов этим методом диффузия примеси в поверх­ ностный слой полупроводника происходит при нагреве полупроводника в парах этой примеси, что дает возмож­ ность создавать очень тонкие области с различными ти­

155

пами проводимости. Диффузионным методом можно получить базовую область транзистора толщиной 3— 4 і/с и поднять частотные возможности транзистора до 150 Мгц и более.

Если рассмотреть влияние режима работы транзи­ стора на его частотные свойства, то следует отметить, что предельная частота усиления растет с увеличением

тока коллектора — /к0, напряжения коллектора І/к, на­ пряжения эмиттера С/э, коэффициента усиления по току в схеме с общей базой а и предельной частотой усиле­ ния по току fe), основными параметрами транзисторов

являются:

— коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером ß == Y —a ’

—коэффициент усиления по мощности Кр (отноше­ ние мощности сигнала, выделяемой на нагрузке, к по­ лезной мощности источника входного сигнала);

—коэффициент шума Fm (отношение полной мощ­ ности шумов на выходе к мощности шумов на входе, вызванных тепловыми шумами сопротивления источ­

ника);

—емкость коллекторного перехода Ск (емкость коллектор — база);

—максимальная частота генерации /мако (частота, выше которой транзистор не может обеспечить полезное усиление мощности);

—предельные максимальные значения токов, на­ пряжений и мощностей;

—обратный ток эмиттера /э0;

Ри — мощность, выделяемая на нагрузке; Рк — мощность, выделяемая на коллекторе.

Одной из существенных особенностей' транзисторов является сильная зависимость их параметров от измене­ ния температуры, что обусловливается свойствами полу­ проводниковых материалов, из которых изготовляются

156

транзисторы. При изменении температуры полупровод­ никовых материалов происходит изменение валентных связей атомов этих материалов и, следовательно, изме­ нение концентрации свободных электрических зарядов, являющихся носителями электрического тока. При уве­ личении температуры полупроводника появляются до­ полнительные носители тока, что в свою очередь при­ водит к изменению проводимости, т. е. к изменению параметров транзисторов, которые зависят от проводи­ мости. При низких температурах концентрация носите­ лей тока в полупроводниках падает, их проводимость ухудшается, что также приводит к изменению пара­ метров транзисторов.

Зависимость статических характеристик транзисто­ ра от температуры представлена на рис. III.14, г.

2. ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ

Транзисторы находят широкое применение в раз­ личной аппаратуре, предназначенной для генерирования

гетеродины, усилители промежуточной и низкой частот, детекторы, схемы автоматической регулировки усиле­ ния, стабилизаторы тока и напряжения, мультивибра­ торы, блокинг-генераторы, счетчики импульсов, автома­ тические реле и т. д.

В ряде случаев транзисторы успешно заменяют элек­ тронные лампы, так как имеют перед ними следующие преимущества:

— меньшую потребляемую мощность, высокий

к.п. д. и низкое напряжение питания;

—значительно меньшие вес и габариты;

—большую надежность, механическую прочность и срок службы;

—мгновенную готовность к работе;

—большую крутизну характеристик и ряд других преимуществ.

Однако область применения транзисторов ограничи­ вается сильным влиянием температуры на их пара­ метры и малым входным сопротивлением.

157

Существует несколько способов включения транзи­ сторов в схемы (рис. III. 15). Внешне эти схемы сходны с ламповыми схемами, поэтому особых пояснений не требуют. Однако они имеют и определенные особен­ ности.

Схема с о б ще й б а з о й (рис. III.15, а) характе­ ризуется малым входным и высоким выходным сопро­ тивлениями и отсутствием изменения фазы входного

Рис. III.15. Схемы включения транзисторов:

а — с общей базой; б —- с общим эмиттером; в — с общим коллектором

сигнала. Схема обеспечивает значительные усиления по напряжению и мощности. Входное сопротивление мало

характеризуется более высоким входным сопротивле­ нием и более низким выходным сопротивлением по сравнению со схемой с общим основанием. В ней про­ исходит изменение фазы входного сигнала. Из всех транзисторных схем эта схема обеспечивает наибольшее усиление по напряжению и мощности.

Схема с о б щи м к о л л е к т о р о м (рис. III.15,в) характеризуется коэффициентом усиления по напряже­ нию меньше единицы. Усиление по мощности невелико. Усиление по току примерно такое же, как у схем с

1 5 8

вом схемы является очень высокое входное сопротивле­ ние и наименьшие нелинейные искажения. Схема носит

Существует много разных видов транзисторов. Тран­ зисторы можно классифицировать по различным при­ знакам: по мощности (маломощные, средней мощности, большой мощности), по частотным свойствам (низко­ частотные, среднечастотные, высокочастотные), по исходному материалу (германиевые, кремниевые), по конструкции и технологии изготовления (точечные, пло­ скостные, вплавные, диффузионные и т. д.), по струк­ туре (р-п-р типа, п-р-п типа), по тепловому режиму (работающие при обычных и повышенных температу­ рах).

П209

П2\0П

Рис. III.16. Внешний вид транзисторовз

I — эмиттер: 2 — база; 3 — коллектор

159