4 Транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя p-n - переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя - противоположной проводимостью. Транзисторы, у которых крайние области обладают электронной проводимостью, а средняя - дырочной, называются транзисторами n-p-n - типа. (рис. 10а). Транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а средняя электронной проводимостями - p-n-p (рис. 10б). В транзисторе n-p-n - типа электрический ток создается в основном электронами, а в транзисторе p-n-p – типа - дырками. Смежный области, отделенные друг от друга p-n - переходами, называются эмиттером, базой и коллектором.

Эмиттер является областью, испускающей носители зарядов (электронов) в транзисторе n-p-n - типа, коллектор - область, собирающая носители зарядов.

Р ис. 10. Транзисторы n-p-n – и p-n-p – типов

В условиях работы транзистора к левому p-n - переходу прикладывается напряжение эмиттер - база Uэ в прямом направлении, а к правому p-n - переходу - напряжение база - коллектор Uк - в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая p-n - переход, переходит (инжектируется) в очень узкую среднюю область (базу). Далее, большая часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, приближаясь к нему, попадает в электрическое поле, созданное внешним источником Uк. Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи Uк. Переход неосновных носителей через базу в коллектор характеризуется коэффициентом переноса δ. Этот коэффициент показывает, какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллекторного перехода. Данный коэффициент можно определить как отношение управляемого коллекторного тока к току эмиттера, созданного его основными носителями:

. (50)

Если увеличить напряжение , то возрастет количество носителей зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т.е. увеличится ток эмиттера на некоторую величину ∆ . При этом так же увеличится ток коллектора на величину ∆ .

В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов противоположной полярности и образует ток рекомбинации .

Кроме эмиттерного и коллекторного токов в транзисторе имеется базовый ток, в который входят три составляющие: ток рекомбинации, ток, обусловленный диффузией основных носителей базы через эмиттерный переход , и обратный коллекторный ток, который имеет противоположное направление относительно двух других составляющих базового тока:

. (51)

Для уменьшения тока рекомбинации ширину базовой области делают малой. Т.о., ток коллектора окажется меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего. Отношение при U_к = const называется коэффициентом усиления по току и обычно имеет значение α = 0,9 ÷ 0,995.

Если цепь эмиттер - база разомкнута, и ток в ней равен нулю, а между коллектором и базой приложено напряжение U_к, то в цепи коллектора будет протекать небольшой обратный тепловой ток I_к0, обусловленный неосновными носителями зарядов. Этот ток сильно зависит от температуры и является одним из параметров транзистора (меньшее его значение соответствует лучшим качествам транзистора).

Так как левый (эмиттерный) p-n - переход находится под прямым напряжением, то он обладает малым сопротивлением. На правый же (коллекторный) p-n - переход воздействует обратное напряжение, и он имеет большое сопротивление. Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало (десятые доли вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких десятков вольт). Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжением , создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение , в результате чего транзистор осуществляет усиление мощности.

При работе транзистора в качестве усилителя входное переменное напряжение подают последовательно с источником постоянного напряжения смещения между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается с нагрузочного резистора .

Схемы включения.

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для его входной и выходной цепи, различают три схемы включения (рис. 11).

а б в

Рис. 11. Схемы включения биполярных транзисторов

Рассмотрим особенности каждой схемы. На рис. 11а представлена схема с общей базой. В данной схеме входным током является ток эмиттера , а выходным - ток коллектора . Напряжение между эмиттером и базой является входным , а напряжение между коллектором и базой- выходным . Входным сопротивлением является сопротивление между эмиттером и базой . Поскольку эмиттерный переход находится в открытом состоянии, входное сопротивление схемы с общей базой мало (единицы - десятки Омов).

Рассмотрим усилительные свойства данной схемы.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления тока):

<1. (52)

Следовательно, схема с общей базой не обладает усилением по току. Коэффициент усиления напряжения:

(53)

Поскольку отношение значительно больше входного сопротивления, схема с общей базой способна усиливать входное напряжение.

Коэффициент усиления мощности определим как отношение мощностей:

(54)

Из полученного выражения также следует, что схема с общей базой обладает некоторым усилением по мощности, так как > . Отсутствие усиления тока, малый коэффициент усиления по мощности, а также небольшое входное сопротивление ограничивают применение данной схемы. Малое входное сопротивление не позволяет осуществлять каскадное включение, так как малое входное сопротивление последующего каскада оказывает шунтирующее действие на выход предыдущего каскада, в результате чего резко снижается усиление всего усилителя.

На рис. 11б представлена схема с общим эмиттером. В данной схеме входным током является базовый ток , а выходным током- коллекторный .

Входное сопротивление примерно на два порядка больше, чем в схеме с общей базой, так как

. (55)

Увеличение входного сопротивления позволяет собирать многокаскадные усилители, у которых каждый каскад собран по схеме с общим эмиттером.

Схема с общим эмиттером обладает усилением тока:

β>1. (56)

Коэффициент усиления напряжения в схеме с общим эмиттером такой же, как и в схеме с общей базой:

(57)

Однако схема с общим эмиттером кроме усиления изменяет форму выходного напряжения на 180°.

Поскольку схема обладает усилением по току и по напряжению, она имеет наибольший коэффициент усиления мощности:

(58)

Схема с общим коллектором представлена на рис. 11в. В этой схеме входным является базовый ток:

(59)

Выходным током служит ток эмиттера . Схема с общим коллектором обладает наибольшим усилением по току:

(60)

Входное сопротивление схемы с общим коллектором значительно превышает входное сопротивление рассмотренных выше схем:

(61)

Схема с общим коллектором не обладает усилением напряжения, так как

(62)

Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, так как нагрузка включена в цепь эмиттера. Коэффициент усиления напряжения равен примерно единице и выходное напряжение совпадает по фазе с входным.

Эмиттерный повторитель используется как каскад согласования между отдельными каскадами или между выходом усилителя и его нагрузкой. Коэффициент усиления мощности в схеме с общим эмиттером примерно равен коэффициенту усиления тока:

. (63)

Из выше сказанного следует, что любая из схем включения обладает усилением мощности. Это подтверждает то, что транзистор является активным (усилительным) прибором.

Статические вольт-амперные характеристики транзистора.

Вольт-амперные характеристики представляют собой графики зависимости токов от напряжений, действующих в цепях транзистора. Различают входные и выходные характеристики.

Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжений при неизменном напряжении на коллекторе.

Выходные характеристики характеризуют зависимость выходного тока от напряжения на коллекторе при неизменной величине входного тока или напряжения. В соответствии с тремя схемами включения транзистора различают характеристики для схемой с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.