Тензодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действием механических деформаций.

В качестве тензодиодов обычно применяют туннельные диоды, у которых отдельные участки вольт-амперной характеристики су­щественно зависят от деформации рабочего тела диода.

§ 1.5. Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называют электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, при­годный для усиления мощности.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носи­телей заряда двух типов: электронов и дырок (отсюда их название — биполярные транзисторы). В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников различной электропроводности создаются два р-п-перехода.

Рис. 1.19. Структура биполярных транзисторов типов р-п-р (а) и n-р-n (б)

Воз­можны две трехслойные структуры с различным чередованием уча­стков с электронной и дырочной электропроводностью: дыроч­ная − электронная − дырочная и электронная − дырочная − электронная. В соответствии с чередованием участков с различ­ной электропроводностью все би­полярные транзисторы подраз­деляют на два типа: p-n-p (рис. 1.19, а) и n-p-n (рис. 1.19, б).

Транзисторы принято под­разделять на группы по диапа­зонам используемых частот и мощностей. Классификация и условные графические обозначе­ния биполярных транзисторов приведены на рис. 1.20. Для изготовления транзисторов ши­роко применяются два полупро­водниковых материала: герма­ний и кремний. Структура и

конструкция биполярного тран­зистора схематически показаны на рис. 1.21, а, б.

У биполярных транзисторов средний слой называют базой (Б), наружный слой, являющийся источником носителей заряда (элек­тронов или дырок), который главным образом и создает ток прибора , - эмиттером (Э), другой наружный слой – коллектором (К). Он принимает носители заряда, поступащие от эмиттера.

На переход эмиттер−база (рис. 1.22) напряжение U_аб пода­ется в прямом направлении, поэтому даже при небольших напря­жениях в нем возникают значительные токи. На переход коллектор— база напряжение U_к6 подается в обратном направлении. Оно обычно в несколько раз больше напряжения между эмиттером и базой.

Рассмотрим более подробно работу транзистора типа п-р-п. Транзистор типа р-п-р работает аналогично, по па пего подают­ся напряжения противополож­ной полярности. Между коллек­тором и базой транзистора типа п-р-п приложено положительное напряжение.

Когда эмиттерный ток I_э равен нулю, небольшой ток в транзисторе через кол­лекторный переход I_к0 обуслов­лен движением только неоснов­ных носителей заряда (дырок из коллектора в базу, электронов из базы в коллектор).

При повышении температуры число неосновных носителей за­ряда увеличивается и ток I_к0 резко возрастает. Обратный коллек­торный ток обычно составляет 10—100 мкА у германиевых и 0,1−10 мкA у кремниевых транзисторов.

Рис. 1.22. Движение носителей заряда в транзисторе типа п-р-п

При подключении эмиттера к отрицательному зажиму источни­ка питания возникает эмиттерный ток I_э (рис. 1.22). Так как внеш­нее напряжение приложено к эмиттерному переходу в прямом на­правлении, электроны преодолевают переход и попадают в область базы. База выполнена из p-полупроводника, поэтому электроны яв­ляются для нее неосновными носителями заряда.

Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с дырками базы. Однако базу обычно выполняют очень тонкой из р-полупроводника с большим удельным сопротивлением (малым содержанием примеси), поэтому концентрация дырок в базе низ­кая и лишь немногие электроны, попавшие в базу, рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток I_б. Большинство же электронов

Рис. 1.23. Включение транзистора типа п-р-п по схеме с общим эмиттером (а) и его схема замещения (б)

вследствие теплового движения (диффузия) и под действием поля
коллектора (дрейф) достигают коллектора, образуя составляющую
коллекторного тока I_к.

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока

α=∂I_k/∂I_э│_Uкб=const≈(∆I_k/∆I_э) _Uкб=const

Как следует из качественного рассмотрения процессов, проис­ходящих в биполярном транзисторе, коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов α=0,9÷0,995.

При. I_э≠0 ток коллектора транзистора

I_k≈I_к0 + αI_э (1.5)

В рассмотренной схеме включения (рис. 1.22) базовый электрод является общим для эмиттерной и коллекторной цепей. Такую схему включения биполярного транзистора называют схемой с общей базой, при этом эмиттерную цепь называют входной, а кол­лекторную — выходной.

Однако такую схему включения биполярного транзистора при­меняют крайне редко. В качестве основной принята схема включе­ния, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это так называемая схема включения биполяр­ного транзистора с общим эмиттером (рис. 1.23, а). Для такой схе­мы входной контур проходит через переход база—эмиттер и в нем возникает ток базы

I_б = I_э-I_к=(1-α)I_э-I_к0<<I_э≈I_к. (1.6)

Малое значение тока базы во входном контуре и обусловило ши­рокое применение схемы с общим эмиттером. На рис. 1.23, б показана схема замещения этого транзистора.

Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов. Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзи­стора I_б = f₁(U_бэ) называют входной или базовой характеристикой транзистора. Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы 1_к= f₂(U_кэ)I_{б = const} называют семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора.

Входная и выходная характеристики биполярного транзистора средней мощности типа п-р-п приведены на рис. 1.24. Как видно из рис. 1.24, а, входная характеристика практически не зависит

Рис. 1.24. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

от напряжения U_кэ. Выходные характеристики (рис. 1.24, б) при­близительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения U_кэ.

h-параметры биполярных транзисторов. Для расчета и анализа устройств с биполярными транзисторами используют так называе­мые h-параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырьмя величинами: I_б, U_бэ, I_к и U_кэ. Две из этих величин можно считать независимыми, а две другие могут быть выражены через них. Из практических со­ображений в качестве независимых удобно выбирать величины I_б и U_кэ. Тогда U_бэ=F₁(1_б , U_кэ) и 1_К=F₂ (I_б, U_кэ).

В усилительных устройствах входными сигналами являются приращения входных напряжений и токов. В пределах линейной части характеристик для приращений ∆U_бэ и ∆I_к справедливы равенства

или

где h_ikэ (i=1, 2; k=1, 2) − соответствующие частные производные, которые легко могут быть найдены по входной и выходным характе­ристикам транзистора (рис. 1.24), включенного по схеме с общим эмиттером:

Параметр h_11э имеет размерность сопротивления, он представляет собой входное сопротивление биполярного транзистора. Параметр h_12э — безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по

напряжению. Его значения лежат в пределах 0,002—0,0002. Как по­казывает анализ устройств на тран­зисторах, в большинстве практиче­ских расчетов им можно пренеб­речь, т. е. полагать равным нулю. Параметр h_21э −безразмерный коэф­фициент передачи тока, характе­ризующий усилительные (по току) свойства транзистора при постоян­ном напряжении на коллекторе.

а Параметр h_22Э имеет размерность

Рис. 1.25. Рабочая область выход­
ных характеристик биполярных проводимости и характеризует вы транзисторов ходную проводимостьтранзистора

при постоянном токе базы.

h-параметры транзистора позволяют достаточно просто создать его схему замещения, в которой присутствуют только резисторы и управляемый источник тока (см. рис. 1.23, б). Приращения напря­жений и токов в схеме на рис. 1.23, б связаны системой управлений (1.8) при h₁₂=0.

Характеристики транзисторов, так же как и полупроводнико­вых диодов, сильно зависят от температуры. С повышением темпе­ратуры резко возрастает начальный коллекторный ток I_к0 вслед­ствие значительного увеличения количества неосновных носителей заряда в коллекторе и базе. В то же время несколько увеличивается и коэффициент h_21Э из-за увеличения подвижности носителей заряда. h-параметры транзистора, особенно коэффициент передачи тока h_21э, зависят от частоты переменного напряжения, при которой про­изводят измерение приращений токов и напряжений ∆I_б, ∆I_к, U_бэ, ∆U_кэ, так как на высоких частотах начинает сказываться ко­нечное время, за которое носители (в транзисторе типа n-p-n— электроны) проходят расстояние от эмиттера до коллектора тран­зистора.

Частоту, на которой коэффициент передачи тока h_21Э уменьшается до единицы, называют граничной частотойкоэффициента передачи тока f_ГР. На прак­тике часто используют частоту f₀, на которой параметр h_21Э уменьшается в

√2 раз.

Для предотвращения перегрева коллекторного перехода необходимо, чтобы выделяемая в нем мощность не превы­шала некоторого максимального значе­ния.

В целях увеличения допустимой мощности коллектора Р_{к гаах} в мощных транзисторах коллектор для улучшения теплоотвода соединяют с металлическим корпусом транзистора, а сам транзистор монтируют на специальном радиаторе.

Ограничение по допустимой мощно­сти произойти элект­рический пробой коллекторного пере­хода, поэтому необходимо, чтобы при работе транзистора коллекторное напря­жение было меньше допустимого:

Существует аналогичное ограничение и по коллекторному току

I_к ≤ I_{к max} (1.11)

которое обусловлено допустимым пере­гревом эмиттерного перехода.

Область, выделенная этими тремя ограничивающими кривыми (рис. 1.25), является рабочей областью характерис­тик транзисторов. Из емкостей p-n-перехода существенное значение имеет только емкость коллекторного переходаС_кб.

Диапазоны значений параметров отечественных биполярных транзисто­ров приведены в табл. 1.2.

Глава