Полупроводниковых приборов

К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p-n переходов [1,3,5]. Некоторые из них мы рассмотрим далее.

Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление R₁. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в диоде, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать не ограниченно долго. На рис.2.1,а показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис.2.1,б приведены их вольтамперные характеристики.

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис. 2.1,б штриховой линией показано перемещение вольтампер­ных характеристик при увеличении температуры. Очевидно, что по­вышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при U_ст>5В и уменьшает его при U_ст<5B. Иначе говоря, стабили­тро­ны с напряжением стабилизации больше 5В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U_ст<5В ― отрицательный. При U_ст = 6...5В ТКН близок к нулю.

Рис.2.1. Изображение стабилитронов (а)

и их вольтамперные характеристики (б)

Иногда для стабилизации напря­жения используют прямое падение напряжение на диоде. Такие прибо­ры в отличие от стабилитронов на­зывают стабисторами. В области прямого смещения p-n перехода на­пряжение на нем имеет значение 0,7...2В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только ма­лые напряжения (не более 2В). Для огра­ничения тока через стабис­тор по­cледовательно с ним также включа­ют сопротивление R₁. В от­личие от стабилитронов при увеличении температуры напряжение на стабис­торе уменьшается, так как прямое напряжение на диоде имеет отри­цательный ТКН. Схема включения стабилитрона приведена на рис. 2.2,а, а стабистора ― на рис. 2.2,б.

Рис.2.2. Схемы

включения стабилитрона (а) и

стабистора (б)

Основными параметрами стабилитронов являются:

- напряжение стабилизации U_ст;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН_ст;

- допустимый ток через стабилитрон I_ст.доп ;

-дифференциальное сопротивление стабилитрона r_диф .

Кроме того, для импульсных стабилитронов нормируется время включения стабилитрона t_вкл , а для двухсторонних стабилитронов нормируется несимметричность напряжений стабилизации

DU_ст=U_ст1-U_{ст .}

Дифференциальное сопротивление стабилитрона ― это параметр, который характеризует наклон вольтамперной характеристики в области пробоя. На рис.2.3,а приведена линеаризованная характеристика стабилитрона, с помощью которой можно определить его дифференциальное сопротивление и построить схему замещения, приведенную на рис.2.3,б.

Рис.2.3. Линеаризированная характеристика

стабилитрона (а) и его схема замещения (б)

Используя приведенную на рис.2.3,б схему замещения, можно рассчитать простейший стабилизатор напряжения, изображенный на рис.2.4,а. Заменяя стабилитрон его схемой замещения, получим расчетную схему, изображенную на рис. 2.4,б. Для этой схемы можно написать систему уравнений (2.1), определяющую напряжения и токи в цепи:

Рис.2.4. Схема простейшего

стабилизатора напряжения (а)

и схема его замещения (б)

. (2.1)

В результате решения системы уравнений (2.1) получим напряжение на выходе стабилизатора

, (2.2)

где - ток нагрузки.

Подставив значение I _н , получим окончательно

. (2.3)

Из выражения (2.3) следует, что выходное напряжение стабили­­затора зависит от напряжения на входе стабилизатора U_вх, сопротивлений нагрузки R_н и ограничения тока R₁, а также от параметров стабилитрона U_ст и r_диф..

Условное обозначение стабилитрона включает: материал полупроводника (К ― кремний); обозначение подкласса стабилитронов (букву С); цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС 168А соответствует маломощному стабилитрону (ток менее 0,3 А) с напряжением стабилизации 6,8В, в металлическом корпусе. Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для ограничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов от повышения напряжения на них.

Напряжение стабилизации U_ст в зависимости от типа стабилитрона лежит в пределах от единиц до сотен вольт, а ток - от единиц мА до единиц А. Выходные мощности стабилитронов:

P_max<0.3Вт; 0.3Вт<P_max<5Вт; P_max>5Вт

малой средней большой

Точечные диоды. Диффузионная технология нашла наибольшее применение при изготовлении кремниевых диодов средней и большей мощности. Исходным материалом является кремний п-типа. Для создания р-слоя используют диффузию акцепторного элемента через поверхность исходного материала. Диффузия может производиться из трех состояний акцепторного вещества: твердого, жидкого или газообразного. При диффузионном методе достигаются достаточная точность глубины р-слоя и концентрации примеси в нем, что важно для получения требуемых материалов диодов.

В зависимости от технологических процессов, использованных при изготовлении полупроводниковых диодов, различают точечные диоды, сплавные диоды и диоды с диффузионной базой.

По площади или конструктивным признакам их подразделяют на

точечные, плоскостные, планарные, мезадиоды, диоды Шотки.

Диоды с барьером Шотки. Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо p-n перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n переходом по следующим параметрам:

• более низкое прямое падение напряжения;

• имеют более низкое обратное напряжение;

• более высокий ток утечки;

- почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проектировании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих времени на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150В. При этом прямое падение напряжения ДШ меньше прямого падения напряжения диодов с p-n переходом на 0,2...0,3В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4...0,6В, а при том же токе диод с p-n переходом имеет падение напряжения 0,5... 1,0В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3...0,4В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10...15%.

Так как в диодах Шотки заряд переносится основными носителями, то в них отсутствует неравномерность распределения носителей, снижающая скорость перехода диода из открытого состояния в закрытое. Следовательно, диод Шотки менее инерционны, чем диоды, построенные на р-п переходах. С= 0.01пф, f =5-250ГГц.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, стабилитроны, варикапы, туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды и т.д.

Выпрямительные диоды. К ним относятся диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. К емкости р-п перехода, к быстродействию и стабильности параметров таких диодов не предъявляют специальных требований (f=50Гц-100кГц).

В качестве выпрямительных диодов используют сплавные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных р-п переходов. Для выпрямительных диодов характерно малое сопротивление в проводящем состоянии и возможность пропускать большие токи.

Барьерная емкость из-за большой площади р-п перехода велика и достигает значений десятков пикофарад.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

- допустимое обратное напряжение диода U_обр.д. - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;

- средний прямой ток диода I_ср - максимально допустимое значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

- максимально допустимый импульсный ток I_max - ток при заданной максимальной длительности импульса;

- обратный ток диода - среднее значение обратного тока;

- прямое напряжение на диоде U_пр – падение напряжения при среднем значении прямого тока;

- мощность, рассеиваемая на диоде, P_д - средняя мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

- дифференциальное сопротивление диода r_д - отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его приращению тока.

Германиевые диоды могут быть использованы при температурах, не превышающих 70 – 80^оС, а кремниевые 120 – 150^оС. Нижний порог температур – 60^оС. Кроме этого, преимуществом кремниевых ди­одов являются малые обратные токи, большие допустимые обратные напряжения (2500-3500 В). Преимуществом германиевых диодов является малое падение напряжения при пропускании прямого тока (0,2 - 0,6В против 0,8 - 1,2В у кремниевых). По величине прямого тока эти диоды делятся на диоды малой мощности, средней мощности и большой мощности. I_пр<0.3А; 0.3А<I_пр<10А; I_пр>10А - (силовые).

Импульсные диоды.Этидиоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-п перехода (доли пикофарад). Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р-п перехода, поэтому допустимые мощности рассеивания у них невелики (до 10 мВт). F_в до 600 МГц .

Основными параметрами импульсных диодов (в дополнение к перечисленным параметрам выпрямительных диодов) являются:

- емкости диода С_д ;

- максимальное импульсное прямое напряжение U_пр.м;

- максимальный импульсный ток I_max ;

- время установления прямого напряжения диода t_д. Оно характеризуется скоростью диффузии инжектированных в базу неосновных носителей заряда, в результате чего меняется ее сопротивление;

- время восстановления обратного сопротивления диода t_в. Время восстановления определяют как промежуток времени, прошедший с момента изменения полярности напряжения до момента, когда обратный ток уменьшится до 0,1 I_пр прямого тока, - единицы мкс.

Наличие времени восстановления обусловлено зарядом неосновных носителей, накопленном в базе диода при инжекции. Для закрывания диода этот заряд должен быть ликвидирован. Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода неосновных носителей заряда в эмиттер, что приводит к увеличению обратного тока.

Варикапы.Ширина электронно-дырочного перехода и его барьерная емкость зависят от приложенного к нему напряжения.

Варикап - это полупроводниковый диод, предназначенный для использования в качестве управляемой электрическим напряжением ёмкости.

Варикап работает при обратном напряжении, приложенном к р-п переходу. Его емкость меняется в широких пределах, а ее значение определяется формулой

,

где C(0) - емкость при нулевом напряжении на диоде;

φ_o - контактная разность потенциалов;

U- приложенное обратное напряжение;

n= 2 для резких переходов, n = 3 для плавных переходов;

Рис.2.5.Эвивалентная схема варикапа (а) и его

условное обозначение (б):

r_пер - сопротивление запертого р-п перехода;

L_в - индуктивность выводов;

r_б- омическое сопротивление базы

Основными параметрами варикапов (рис.2.5) являются:

общая емкость С_в - емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;

коэффициент перекрытия по емкости К_с = С_{в max}/C_{в min},

сопротивление потерь r_n - суммарное активное сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов;

добротность Q_в - отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданном обратном напряжении Q_в=X_c/r_n ;

температурный коэффициент a_c - отношение относительного изменения емкости к изменению температуры, a_c =dC_в/(С_в dТ).

Туннельные диоды. Туннельным называется полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через р-п -переход и вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

На ВАХ туннельного диода (рис.2.6) можно выделить три участка: участок 0 - 1 соответствует U<U₁ и ток определяется дрейфом носителей заряда через р-п -переход; участок 1- 2, имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление, характеризуется в основном туннельным током; участок 2 - 3 характеризуется диффузионным током.

Для получения туннельных диодов используют материалы с очень высокой концентрацией примесей в р- и п -областях. В итоге энергетические уровни примесных атомов расщепляются в зоны, которые перекрываются с соответствующими основными зонами областей р и п.

Рис. 2.6. ВАХ туннельного

диода (а) и его условное

изо­бражение (б)

Основные параметры:

- ток максимума I_max ;

- ток минимума I_min ;

- напряжения, соответ­ствующие I_max - U₁; I_min - U₂;

- наибольший прямой ток и напряжение, соответствующее ему;

- наибольший ток обратный и соответствующее ему напряжение;

- емкость диода.

Туннельные диоды используют в переключающих цепях сверхвысокого быстродействия и генераторах порядка 1000 МГц, туннельный эффект не инерционен.

Фотодиоды -это полупро­водниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Конструктивно фотодиод выполнен следующим образом: кристалл п-типа, в котором в одной из граней созидается область р-типа. Области имеют выводы. Вся система заключается в корпус, в котором имеется окошко, пропускающее световой поток.

Рис. 2.8. Условное изображение фотодиода

При отсутствии освещенности ВАХ фото­­­диода имеет такой же вид, как ВАХ обычного диода. Обратный ток фотодиода при отсутствии освещенности называется тепловым током.

Рис.2.9. Работа фотодиода в преобразовательном

режиме
При действии светового потока в базе диода происходит световая генерация подвижных носителей заряда. Образуются пары таких носителей: электрон - дырка, что приводит к росту концентрации неосновных носителей. Приращение обратного тока за счет воздействия светового потока называется фототоком.

Режим работы фотодиода при дей­­­ствии на него обратного напряжения на­зывается преобразовательным ре­жи­­мом работы. Это режим характери­зу­ется параметрами левой полуплос­ко­сти графика ВАХ фотодиода (рис.2.10.).

Рис.2.10. ВАХ фотодиода

Аналитическое выражение ВАХ фотодиода:

.

Если подается обратное напряжение U<0, то I→(-I_o-I_ф).

Если разомкнуть внешнюю цепь и подвергнуть фотодиод световому воздействию, то I=0. Под действием внутреннего поля р-п- перехода неосновные носители будут переходить в р-область, а основные - в п-область, образуя отрицательные заряды. На выводах фотодиода возникает разность потенциала, которая называется фотоЭДС.

Рис. 2.11. Условное обозначение

фотодиода

Чем больше световой поток, тем боль­ше величина фотоЭДС. Под действием светового потока создается фототок, а за счет него и возникает фотоЭДС, создающая ток I=I_ф, но

, .

Рис. 2.12. Фотодиод в генераторном режиме

Режим работы при отсутствии источника во внешней цепи называется генераторным (рис.2.12). Если это генератор, то можно подключать нагрузку. Ток, протекающий через нагрузку, создает падение напряжения на ней.

Падение напряжения на нагрузке приводит к уменьшению прямого тока через фотодиод. Результирующая разность потенциалов между анодом и катодом уменьшится. Чем меньше будет сопротивление нагрузки, тем больше по абсолютной величине будет обратный ток, протекающий через фотодиод, и тем меньше будет напряжение на нагрузке.

Преобразовательный режим имеет практически линейную характеристику.

Рис. 2.13. Энергетическая характеристика

фотодиода

Фотодиод неодинаково реагирует на светоизлучение с различной длиной вол­ны. Эта зависимость изображается спек­тральной харак­теристикой (рис.2.14).

Рис. 2.14. Спектральная характеристика

фотодиода

Чувствительность фотодиода харак­теризуется формулой

S=dI_ф/dF.

Фотодиоды имеют применение в качестве преобразователя оптического сигнала в электрический, в качестве датчиков светового потока, в качестве приемников информации, передаваемой по оптическим каналам.

Светодиод - это полупроводниковый диод, служащий для преобразования электрического сигнала в оптический.

Конструктивно похож на фотодиод: прозрачный кристалл п -типа, являющийся базой, на нем создается область р -типа, а также оптическая система, через которую идет излучение (рис.2.15).

Рис.2.15. Конструкция (а) и условное

изображение светодиода (б)

Если фотодиод изготавливают на осно­ве р -п переходов Шотки, то светодиоды изготавливают на основе обычных р-п -переходов, но в качестве исходного материала применяется карбид кремния, арсенид галлия или фосфид галлия.

ВАХ светодиода имеет такой же вид, как и ВАХ обычного диода с той особенностью, что прямое падение напряжения на светодиоде может составить несколько вольт.

При включении светодиода в прямом направлении происходит перенос неосновных носителей из одной области в другую с последующей рекомбинацией. Тут рекомбинационные электроны переходят с более высоких энергетических уровней на более низкие. Избыток энергии излучается в виде светового луча.

Рис. 2.16. Яркостная характеристика светодиода

Зависимость яркости от прямого тока изо­бражается яркостной характеристикой. Кроме того, светодиод излучает свет не одной и той же длины волны, что отражается спектральной характеристикой (рис.2.17). Яркость различных волн различна.

Диапазон излучений световых волн может находиться от инфракрасного до ультрафиолетового спектра (рис.2.17). Светодиоды применяются в устройствах индикации и устройствах отображения информации.

Рис. 2.17. Спектральные характеристики

светодиода

Прямой ток светодиода имеет опреде­ленное допустимое значение. Сопротивление нагрузки подключают для ограничения прямого тока (рис.2.18).

Рис. 2.18. Включение светодиода в электрическую

цепь

Диодные оптроны представляют собой приборы, содержащие преобразователь электрического сигнала в оптический или преобразователь оптического сигнала в электрический, служащие приемниками, между которыми существует оптический канал связи.

Рис.2.19. Диодный оптрон

Особенностью такой системы является то, что выходная цепь полностью электрически изо­лирована от входной цепи.

Применяется в тех случаях, когда требуется передать сигнал из одной цепи в другую, не допуская электрической связи между этими цепями.

Оптроны целесообразно применять в тех устройствах, где не допускается влияние выходной цепи на входную, т.е. не допускается обратная связь. Оптроны могут применяться в качестве устройства согласования источника сигнала и устройства обработки информации.

Система обозначения полупроводниковых диодов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919-81, а силовых полупроводниковых приборов ГОСТ 20859.1-89. 3а основу системы обозначения положен шестизначный буквенный цифровой код,

1) первый элемент которого (буква - для приборов широкого применения, цифра - для приборов, используемых в устройствах специального назначения) обозначают исходный материал, из которого изготовлен прибор.

Для обозначения исходного материала используют следующие символы:

Г или 1 - германиевый;

К или 2 - кремниевый;

А или 3 - галлий (его соединения);

И или 4 - соединения индия;

2) второй элемент - буква, определяющая подкласс приборов:

Д - диоды (выпрямительные, импульсные);

Ц2 - выпрямительные столбы и блоки;

В - варикапы;

И - туннельные диоды;

А - СВЧ диоды;

С - стабилитроны, стабисторы;

Л - излучающие оптоэлектронные приборы;

О - оптопары;

У - триодные тиристоры;

Г - генераторы шума;

3) третий элемент - цифра (или буква и цифра для оптопар) оп­ре­­деляет один из основных характеризующих прибор признаков - (параметр, назначение или принцип действия). Для каждого типа приборов в справочниках указывается и перечень этих символов;

4, 5) четвертый и пятый элементы используются для обозначения порядкового номера разработки (двузначные числа от 1 до 99);

6) шестой элемент - буква, определяющая классификацию по параметрам приборов данного типа, изготовленных по единой технологии.

Примеры обозначений:

КД215А - кремниевый выпрямительный диод;

КС156А - кремниевый стабилитрон;

КВ1О2А - кремниевый варикап и др.

Для обозначения сборок приборов между вторым и третьим элементом ставят букву С: КВС120 А.

Контрольные вопросы.

1. Что такое стабилитрон? Его вольтамперная характеристика и цели применения в электрических схемах? Схема замещения стабилитрона.

2. Какова цель применения стабистора в электрических схемах?

3. Схема параметрического стабилизатора постоянного тока, его работа при изменении питающего напряжения?

4. Классификация основных типов полупроводниковых диодов, характеристики и области применения каждого из них?

5. Что такое диодный оптрон, его назначение и области применения?

Лекция 3.Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода [1,2,4,5,7]. Технология изготовления этих приборов может быть различной - сплавление, диффузия, эпитаксия, что в значительной мере определяет их характеристики. В биполярном транзисторе используются два типа носителей зарядов - электроны и дырки (отсюда и название - биполярный).

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n транзисторы и p-n-p транзисторы. Упрощённое устройство плоскостного n-p-n транзистора приведено на рис.3.1,а, его условное обозначение – на рис.3.1,б, а схема замещения – на рис.3.1,в. Аналогичные представления для p-n-p транзистора приведены на рис.3.1,г, д, е. Средняя часть рассматри­ваемых структур называется базой, одна крайняя область – коллектором, а другая – эмитте­ром. В зависимости от поляр­но­сти напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный, насыщения, отсечки и инверсный.

Рис.3.1. Устройство n-p-n транзис­-

тора (а), его условное изображение (б) и схема замещения (в). Устройство p-n-p транзистора (г),

его условное изображение (д) и

схема замещения (е)

Принцип работы p-n-p транзистора. В активном режиме работы транзистора эмиттерный p-n-p переход включается в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

Особенностью полупроводникового транзистора является то, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерной и коллекторной областях на несколько порядков превышает концентрацию основных носителей в базе. Вторая особенность - малая ширина базы,

ко­­­торая соизмеряется с шириной запрещаю­щего слоя в эмиттерном и кол­лекторном p-n переходах.

Рис.3.2. Структура бипо-

лярного транзистора

Процессы в эмит­тере транзистора. При смещении эмит­тер­ного перехода в прямом направлении (рис.3.2) через него будет протекать пря­мой ток, который обусловлен инжекцией дырок из эмиттера в базу (дырочная составляющая эмиттерного тока) и встречным движением электронов из базы в эмиттер (электронная составляющая эмиттерного тока).

I_э= I_эр + I_эn; I_эр >> I_эn .

Электронная составляющая замыкается через вывод базы и источник напряжения.

- коэффициент инжекции. Его величину стремятся сделать максимально большой. Поэтому делают концентрацию дырок в эмиттере как можно больше по отношению к концентрации электронов в базе. Основная функция эмиттерного перехода - инжекция основных носителей (дырок) из эмиттера в базу.

Процессы в базе транзистора. Дырки, инжектируемые в базу, являются там неосновными носителями заряда. В результате инжекции начнет повышаться концентрация дырок в базе около эмиттерного перехода. Они будут стремиться диффундировать вглубь базы, и часть из них будет рекомбинировать с электронами (основными носителями). Нерекомбинированная часть в результате диффузии может достигать коллекторного перехода. Ширину базы делают меньше длины свободного пробега электронов, в результате время, необходимое дыркам на преодоления базы в результате диффузии, будет меньше, чем время жизни дырок. Недостаток электронов, пошедших на рекомбинацию дырок, восполняется через базовые выводы, и тем самым создается рекомбинационный базовый ток.

Дырки, достигшие границы коллекторного перехода, попадают в зону действия коллекторного перехода и переносятся в коллектор, тем самым создавая дырочную составляющую коллекторного тока. Поскольку в базе рекомбинирует малое количество дырок, то дырочная составляющая коллекторного тока будет не намного меньше дырочной составляющей эмиттерного тока.

- коэффициент переноса ( его величина 0.95 - 0.99 ).

В результате .

Так как , то .

Величина α →1 и называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Так как коллекторный переход смещён в обратном направлении, то через него, как и через любой смещенный p-n переход, будет протекать тепловой ток I_к0, в результате:

. (3.1)

Полученное выражение отражает основное свойство транзистора - свойство управляемости I_к с помощью I_э. Второе слагаемое I_к0 является неуправляемой составляющей, оно имеет малую величину и тот же порядок, что и в диодах, и так же зависит от температуры. Т.о., выходную коллекторную цепь транзистора в активном режиме можно представить в виде управляемого источника тока. I_к зависит только от I _э и не зависит практически от U_кб при условии, что U_кб < 0. Транзистор должен находиться в активном режиме (эмиттер – смещён в прямом, коллектор - в обратном направлении). В коллекторную цепь можно включить нагрузку в виде сопротивления R_к. При этом I_к не уменьшится, если сохранить обратное напряжение на коллекторном переходе. Потенциал коллектора должен быть меньше потенциала базы. На R_к создается напряжение, которое пытается повысить потенциал коллектора относительно базы до уровня, не более нуля.

; .

На коллекторном сопротивлении можно получить падение напряжение, значительно превосходящее напряжение в цепи эмиттер-база, и соответствующая мощность, выделяемая на R_к, будет значительно больше мощности во входной цепи транзистора эмиттер-база. В этом случае можно получить усиление сигнала как по напряжению, так и по мощности. Усиление по току в этом случае не получится - I_к будет близок к I _э, но всегда I_к <I _э (α < 1):

; . (3.2)

Т. к. α →1, то I_б мал и меньше тока коллектора и эмиттера.

Пример: U_эб = 0,5В, I _э =1×10^-3 А, α=0,99, I_к =0.99×10^-3 А, R_к =100 кОм.

U_кэ = 99 В ;

.

За счет того, что I_к не зависит ни от сопротивления, ни от напряжения в цепи коллектора, то при условии смещения коллекторного перехода в обратном направлении можно получить сигнал в коллекторной цепи значительно больший, чем в эмиттерной. Отсюда транзистор может осуществлять усиление эмиттерного сигнала.

Схемы включения транзисторов. При использовании транзисторов в усилительных и преобразовательных устройствах электрических сигналов входной сигнал может подаваться на транзистор различными способами и также разными способами может сниматься выходной. Биполярный транзистор имеет три вывода, поэтому один из них всегда будет общим для входного и выходного сигнала. В зависимости от того, какой вывод будет общим, различают несколько схем включения транзистора.

Схема включения транзистора с общей базой. Базовый вывод будет общим как для входного, так и для выходного сигналов. В качестве входного напряжения - напряжение эмиттер-база, в качестве входного тока - ток эмиттера. Выходное напряжение - напряжение коллектор-база, выходной ток - ток коллектора.

Схема с общим эмиттером. U_вх = U_бэ; I_вх =I_б ; U_вых = U_кэ ; I_вых = I_к .

Схема с общим коллектором. U_вх=U_бк; I_вх= I_б ; U_вых= U_эк; I_вых = I_э .

Различные схемы включения транзисторов обладают различными усилительными свойствами и имеют разные характеристики.

Статические характеристики транзистора. Выделяют две группы статических характеристик.

1. Входные. Отражают зависимость входного тока от входного напряжения транзистора при фиксированном выходном напряжении. Эта зависимость определяется в установившемся статическом режиме .

2. Выходные. Зависимость выходного тока от выходного напряжения при фиксированном входном токе .

Каждая схема включения транзистора имеет свои статические характеристики. Рассмотрим эти характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ.

Статические характеристики транзистора, включённого по схеме с общей базой по рис.3.3:

Рис.3.3. Транзистор, включенный по схеме с

общей базой

Входная характеристика.Каждому фикси­рованному значению U_кб соответствует своя входная характеристика, то есть для множества значений U_кб будет семейство входных характеристик по рис.3.4.

Входные статические характеристики отражают зависимость входного тока от входного напряжения при фиксированном выходном напряжении .

Рис.3.4. Входные характеристики

а) U_кб = 0 .

Означает, что вывод коллектора и вывод базы соединены накоротко. При этом I_э пред­ставляет собой ток эмиттерного перехо­да, смещенного в прямом направлении. При этом входная характеристика - это ВАХ эмиттерного p-n перехода. Прямое падение напряжения на переходе эмиттер – база, как и у обычного диода, для Ge =0,3 - 0,5В, для Si = 0,5 - 1В.

В этом случае характеристика входной цепи представляет собой ВАХ эмиттерного перехода (рис.3.4)

.

б) U_кб2 < 0.

При этом входная характеристика смещается в область больших токов и будет проходить немного выше начала координат. Смещение входной характеристики вверх обусловлено тем, что с увеличением отрицательного обратного напряжения на коллекторном переходе ширина запрещающего слоя коллекторного перехода увеличивается. При этом активная ширина базы уменьшится. Возрастает градиент концентрации дырок в базе (градиент концентрации - скорость умень­шения по ширине базы концентрации основных носителей заряда). Это создает благоприятные условия для протекания дифференциальных токов дырок из эмиттера в базу, что приводит к росту электрического тока.

в) U_кб3 < U_кб2 .

Смещение входной характеристики происходит при возрастании модуля напряжения коллектор - база до 4¸5 В. При дальнейшем увеличении напряжения на коллекторе характеристика не смещается. Поэтому в справочниках приводят лишь две характеристики: для U_кб= 0 и для U_кб=-5В. При расчете усилительных устройств используют характеристику, снятую для 5 В. Изменение активной ширины базы при изменении U_кб называют эффектом модуляции ширины базы. В каждой точке входной характеристики входная цепь транзистора характеризуется определенным дифференциальным сопротивлением . Величина этого сопротивления определяется так же, как и дифференциальное сопротивление диода (p-n переход), и характеризуется tg угла наклона касательной. Величина его для активного режима работы от нескольких единиц Ом до нескольких десятков Ом. При малых токах эмиттера величина дифференциального сопротивления r будет большим, при больших токах эмиттера оно будет уменьшаться.

При изменении температуры входная характеристика смещается также, как и ВАХ диода; прямое падение напряжения уменьшается на 2 mВ на один градус.

Выходная характеристика.Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, - это зависимость выходного тока I_к от выходного напряжения при фиксированном значении входного тока (рис.3.5).

а) I_э1 = 0. I_к = I_к0.

При I_э=0 выходная характеристика транзистора не будет ничем отличаться от обратной цепи ВАХ диода.

б) I_э2 > 0.

, где α – коэффици­ент передачи тока эмиттера.

При U_кб = 0 коллекторный переход не будет смещен в обратном направлении, и, следовательно, обратный ток I_к0 = 0, но в коллекторном переходе будет существовать собственное электрическое поле (внутреннее), под действием которого дырки, инжектированные из эмиттера в базу и дошедшие в результате диффузии до коллекторного перехода, будут перебрасываться в коллектор.

Рис. 3.5. Выходные характеристики

транзистора с общей базой

в) I_э3 > I_э2 и т.д.

Если изменить полярность напряжения U_кб, коллекторный переход будет включен в прямом направлении; в результате навстречу дырочной составляющей коллекторного тока потечет прямой ток коллекторного перехода. При незначительном увеличении прямого напряжения прямой ток будет резко возрастать, и тогда суммарный коллекторный ток будет равен разности: .

Ток коллектора будет резко снижаться до 0. При отрицательном напряжении на коллекторе выходная характеристика идет не абсолютно горизонтально, то есть при увеличении U_кб увеличивается I_к. При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе происходит модуляция ширины базы, то есть чем больше U_кб, тем база уже, в итоге количество рекомбинаций в базе уменьшается, увеличивается количество дырок, дошедших до коллекторного перехода, что приводит к увеличению коэффициента δ и, соответственно, увеличивается α.

В результате получим семейство выходных характеристик. Поскольку каждая выходная характеристика имеет некоторый наклон, то выходную цепь коллектор-база можно охарактеризовать некоторым выходным дифференциальным сопротивлением .

Величина этого сопротивления достигает 10 - 100 Ом.

Для схемы с ОБ зависимость тока коллектора от тока эмиттера с учетом выходного дифференциального сопротивления можно представить в следующем виде:

. (3.3)

При работе транзистора в активном режиме, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход в обратном направлении и изменения входных и выходных сигналов невелики, можно считать входное и выходное напряжения const. При этом транзистор работает на линейных участках характеристик, такому режиму соответствует линейная схема замещения транзистора (рис.3.6).

Рис. 3.6. Линейная схема замещения транзистора c

общей базой

Такую схему замещения называют схемой замещения в физических параметрах.

r_э - дифференциальное сопротивление эмит­терного перехода в прямом направлении, оно мало: 1-100 Ом. r_б - объемное сопротивление базового слоя транзистора: 10-100 Ом. r_к - дифференциальное сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода ~ МOм. C_э - диффузионная емкость эмиттерного перехода, C_к - барьерная емкость коллекторного перехода. αI_э - управляющий источник тока, отражающий усилительные свойства транзистора. При увеличении тем­пературы выходные характеристики смещаются вверх за счет роста теплового тока I_к0, существенно увеличивается коэффициент передачи α.

Статические характеристики транзи­с­то­ра, включённого по схеме c общим эмитте­ром по рис.3.7.

Рис. 3.7. Схема включения транзистора с ОЭ

Входные характеристики приведены на рис.3.8 и определяются выражениями:
_.

Ток базы представляет собою малую величину по сравнению с током коллекто­ра и током эмиттера, причем эта величина тем меньше, чем ближе α к единице.

а) U_кэ = 0.

В этом случае коллекторный переход не будет смещен в обратном направлении, то есть I_к0 = 0 и I_б = ( 1- α )I_э.

Рис.3.8. Входные характеристики

для схемы с ОЭ.

б) U_кэ < 0.

В этом случае коллекторный переход будет смещен в обратном направлении, что приводит к следующему: будет существенным обратный ток I_к0, который направлен встречно току базы. За счет модуляции ширины базы произойдёт уменьшение количества рекомбинаций основных носителей заряда в базе и, соответственно, уменьшение составляющей тока базы. В результате характеристика при отрицательном напряжении U_кэ будет смещаться вниз. Смещение характеристики вниз также происходит при росте напряжения U_кэ до 4¸5В, дальше характеристика не меняется. В справочниках приводятся две характеристики: для U_кэ = 0 и для U_кэ < 0 Входную цепь можно характеризовать входным дифференциальным сопротивлением r_бэ

. (3.4)

Поскольку α → 1, то в схеме с общим эмиттером r_бэ >> r_эб; r_бэ = 100-1000 Ом.

Выходные характеристики тран­зис­­тора по схеме с ОЭ на рис.3.9.

Рис.3.9. Выходные характеристики для

схемы с ОЭ

Это основное уравнение транзистора для схемы с общим эмиттером, оно показывает, как ток коллектора зависит от величины тока базы. При этом α/( 1-α )=b - коэффициент передачи тока базы. При a→1 b возрастает и для реальных транзисторов b = 10-1000. В схеме с общим эмиттером будет происходить усиление сигнала по току.

. (3.5)

- начальный ток коллектора.

Рассмотрим выходные характеристики для различных токов I_б.

1) при I_б1 = 0 получаем .

2) I_б2> 0 получаем .

Вторая выходная характеристика будет смещена вверх относительно первой на величину bI_б2. Рассмотренные соотношения между I_к и I_э справедливы для активного режима работы:

;

до тех пор, пока .

Рассмотренные зависимости между токами справедливы для .

Току I_б2 соответствует определенное напряжение U_бэ2. Справа от U_бэ2 будут справедливы соотношения для токов. При U_кэ > U_бэ коллекторный переход будет смещаться в прямом направлении, навстречу основному току транзистора возникнет прямой ток коллектора, результирующий ток будет уменьшаться. Если U_кэ = 0, то входное напряжение U_бэ будет смещать в прямом направлении эмиттерный переход, и в то же время оно будет приложено к коллекторному переходу и смещать его в прямом направлении. В результате токи эмиттера и коллектора будут направлены навстречу, и результирующий ток будет близок к нулю, то есть в схеме с ОЭ будем считать, что выходные характеристики проходят через начало координат. Заштрихованная область соответствует смещению в прямом направлении как в эмиттерном, так и в коллекторном переходе. Такой режим работы называют режимом насыщения.

; .

Выходные характеристики для схемы с ОЭ проходят менее горизонтально, чем для схемы с общей базой.

.

Для схемы с общим эмиттером имеем:

;

;

;

;

;

.

Выходное дифференциальное сопротивление для схемы с ОЭ в

(1+b) раз меньше, чем для схемы с ОБ. Для реальных транзисторов r_кэ порядка 100 кОм.

Для схемы с ОЭ также, как и для схемы с ОБ, можно построить свою схему замещения. Для этого в схеме замещения для ОБ входной цепью сделаем цепь базы, а общей цепью - цепь эмиттера (рис.3.10). Управляемый источник тока άI_э не­об­ходимо преобразовать в источник тока, управляемый током базы.

Рис.3.10. Схема замещения тран­зис­то­ра,

включенного по схеме с ОЭ

, , . (3.6)

Работа транзистора по схеме с общим коллектором.Этот каскад часто входит в различные схемы как каскад сопряжения, имея специфические значения входного и выходного сопротивлений. На рис.3.11,а пред-

Рис.3.11. Усилитель на базе тран­зистора с общим кол­лектором (а)

и его эквивалентная схема (б)

ставлен усилитель на базе транзистора, включённого по схеме с об­щим коллектором. Сигнал переменного тока генератора е_г с внут­ренним сопротивлением R_г через разделительный конденсатор С₁ по­да­ётся на базу VT. Начальный потенциал базы задаётся делителем на R₁ и R₂. Нагрузочное сопротивление R_э включёно в цепь эмиттера, а переменная составляющая выходного сигнала через разделительный конденсатор С₂ подаётся на резистор R_н. На позиции рис.3.11,б изображена эквивалентная схема такого соединения.

Определим по этим схемам основные характеристики транзистора при включении его по схеме с общим коллектором.

1. Входное сопротивление каскада на основании эквивалентной схемы есть параллельное соединение сопротивлений делителя и вход­ного сопротивления транзистора R_к =R₁|| R₂ || r_вх. Или

.

С учётом сопротивления нагрузки R_н, подсоединённого параллельно резистору R_э, имеем

.

В этом уравнении величина r_б–несколько десятков Ом, коэффициент уси­­ления по току b=50-100, общее сопротивление R_э||R_н=1-2 кОм. Тогда входное сопротивление транзистора R_вх» 50-200 кОм достаточно велико.

2. Выходное сопротивление транзистора находится как параллельное соединение резистора R_э и всей внутренней структуры прибора

.

Так как , то R_вых=R_э||r_э .

Сопротивление R_э имеет порядок 2-3 кОм, дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода в прямом направлении r_э - несколько десятков Ом. Отсюда выходное сопротивление транзистора по схеме ОК – несколько десятков Ом, достаточно мало.

3. Коэффициент усиления по току .

Ток нагрузки .

Коэффициент усиления по току .

4. Коэффициент усиления по напряжению

,

то есть каскад не усиливает входное напряжение.

В табл. 3.1 приведены сравнительные характеристики усилителей на биполярных транзисторах (БТ) для различных схем их включения.

Таблица 3.1