Диоды и транзисторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Полевые транзисторы

1.1 История создания полевых транзисторов

1.2 Классификация полевых транзисторов

1.3 Транзисторы с управляющим p-n-переходом

1.4 Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

1.5 МДП-транзисторы с индуцированным каналом

1.6 МДП-транзисторы со встроенным каналом

1.7 Схемы включения полевых транзисторов

1.8 Области применения полевых транзисторов

2. Биполярные транзисторы

2.1 Устройство и принцип действия биполярного транзистора

2.2 Режимы работы биполярного транзистора

2.3 Схемы включения биполярных транзисторов

2.4 Основные параметры биполярных транзисторов

Заключение

Список литературы



Введение

транзистор затвор индуцированный биполярный

Полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы) благодаря малым габаритам и массе, незначительному потреблению электроэнергии, высокой надёжности и долговечности широко применяются в различной радиоэлектронной аппаратуре. В настоящее время почти вся бытовая радиоэлектронная техника, включая телевизоры, приёмники, магнитофоны и др., работает на полупроводниковых приборах и микросхемах. Применение полупроводниковых приборов в электронных вычислительных машинах позволило решить проблему достижения высоких эксплуатационных параметров ЭВМ при обеспечении требуемой надёжности. Для конструирования надёжных схем на транзисторах, то есть для правильного выбора типа транзистора, грамотного расчёта схем, выбора оптимального теплового и электрического режимов, необходимо располагать подробными сведениями, характеризующими эксплуатационные свойства транзисторов.

Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике -- теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях и более высоких частотах.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его помещают в специальные корпуса ).

Основные материалы из которых изготовляют транзисторы -- кремний и германий, перспективные - арсенид галлия , сульфид цинка и широко зонные проводники .

Существует 2 типа транзисторов: биполярные и полевые.

Биполярный транзистор представляет собой транзистор, в котором используются заряды носителей обеих полярностей.



1. Полевые транзисторы

Полевой транзистор -- полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия «перпендикулярного» току электрического поля, создаваемого напряжением на затворе.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

1.1 История создания полевых транзисторов

Идея полевого транзистора впервые была предложена Лилиенфельдом в 1926 - 1928 годах. Эти конфигурации транзисторов не были внедрены в производство по объективным причинам. Реальный работающий прибор был создан в 1960 году. Конструкция транзистора по патенту Лилиенфельда № 1900018 представлен на (Рис.1.1.).

Рис.1.1. Полевой транзистор Лилиенфельда.

В 1935 году О. Хейлу в Англии был выдан патент на полевой транзистор (Рис. 1.2.)

Рис.1. 2. Схема из патента О. Хейла № 439457.

Прототип полевого транзистора с изолированным затвором.

1- управляющий электрод (затвор); 2 - тонкий слой полупроводника (теллур, йод, окись меди, пятиокись ванадия; 3 (сток); 4 (исток) - омические контакты к полупроводнику; 5 - источник постоянного тока; 6 - источник переменного напряжения; 7 - амперметр.

В 1952 г. Шокли изобрел полевой транзистор с управляющим электродом. Эта конструкция представляла собой обратно смещенный p-n - переход (см. рис. 3). Конструкция полевого транзистора имела полупроводниковый стержень n-типа (канал n-типа) с омическими выводами на торцах. В качестве полупроводника был применен кремний (Si). p-n-переход был сформирован на поверхности канала с противоположных сторон. p-n-переход формируется таким образом, чтобы он был параллелен направлению тока в канале. Основные носители заряда для данного канала - электроны, определяющие проводимость канала текут от истока к стоку. (На рис. 1.3. - это отрицательный электрод).



Рис. 1.3. Полевой транзистор Шокли.

В 1966 году Мидом была создана и реализована третья конструкция полевых транзисторов (с барьером Шоттки).

В 1963 г. Хофштейн и Хайман разработали полевой транзистора на основе МДП структур. С 1952 по 1970 г.г. эти транзисторы находились еще на лабораторной стадии разработки. В настоящее время эта технология одна из наиболее широко используемых для производства интегральных схем.

1.2 Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы (рис.1.4.). Первую образуют транзисторы с управляющим p-n-переходом, или переходом «металл -- полупроводник» (барьер Шоттки), вторую -- транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), транзисторы МДП («металл -- диэлектрик -- полупроводник»).



Рис.1.4. Классификация полевых транзисторов.

1.3 Транзисторы с управляющим p-n-переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом -- это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например n-типа (Рис. 1.5.), имеет на противоположенных концах электроды (сток и исток), с помощью которых она включена в управляемую цепь. Управляющая цепь, подключается к третьему электроду (затвор) и образована областью с другим типом проводимости, в данном случае p-типом.



Рис. 1.5. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Источник питания, включенный во входную цепь, создаёт на единственном p-n-переходе обратное напряжение. Во входную цепь также включается и источник усиливаемых колебаний. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, от чего меняется толщина обедненного слоя (p-канал), то есть площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда. Эта область называется каналом.

Электроды полевого транзистора имеют следующие названия:

исток (англ. source) -- электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;

сток (англ. drain) -- электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;

затвор (англ. gate) -- электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

Проводимость канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярность напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n-переходе затвора (или на двух p-n-переходах одновременно). В связи с незначительностью обратных токов p-n-перехода мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор -- сетке, сток -- аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов транзистора. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

1.4 Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Полевой транзистор с изолированным затвором -- это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды -- исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод -- затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 1.6., а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 1.6., б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой -- канал, который соединяет исток со стоком.



Рис. 1.6. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

a) -- с индуцированным каналом, b) -- со встроенным каналом

Изображённые на (рис. 1.6) структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

1.5 МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, -- ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n-перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 1.6., а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших UЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных не скомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших UЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда -- дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем, и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

1.6 МДП-транзисторы со встроенным каналом

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 1.6., б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис.1.7.).

Статические характеристики передачи (рис. 1.7., b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.



Рис. 1.7. Выходные статические характеристики (a) и сток-затворная характеристика (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Формулы расчёта в зависимости от напряжения U_ЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна передаточной характеристики транзистора.

3. Дальнейшее увеличение приводит к переходу на пологий уровень.

-- Уравнение Ховстайна.



1.7 Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). (рис.1.8.)

a) b) c)

Рис.1.8. Схемы включения полевых транзисторов:

a) Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим истоком (ОИ);

b) Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим стоком (ОС);

c) Схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с (ОИ) (рис.1.8.a), аналогичная схеме на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ) (рис.1.8.b). Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с (ОЗ) (рис.1.8.c) аналогична схеме с общей базой (ОБ). Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем, он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.



1.8 Области применения полевых транзисторов

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, -- наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания -- батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят всё более широкое применение в различных радиоустройствах, где с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью. Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой верности (Hi-Fi), где с успехом заменяют биполярные транзисторы и электронные лампы. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) находят применение в устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска, где успешно вытесняют тиристоры.



2. Биполярный транзистор

Биполярный транзистор -- трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы (n (negative) -- электронный тип примесной проводимости, p (positive) -- дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» -- «два»). Схематическое устройство транзистора показано на (рис.2.1.).

Рис.2.1. Простейшая наглядная схема устройства транзистора.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора -- большая площадь P-n-перехода. Кроме того, для работы транзистора необходима малая толщина базы.

2.1 Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Транзисторы на основе арсенида галлия используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах высокочастотных усилителей.

Рис.2.2. Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых слоёв: эмиттера E, базы B и коллектора C (рис.2.2.). В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер ? n-полупроводник, база ? p-полупроводник, коллектор ? n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие невыпрямляющие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и слаболегированна, поэтому имеет большое омическое сопротивление. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам -- большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность захвата неосновных носителей заряда из базы в коллектор и, так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, что увеличивает тепловыделение, способствует отводу тепла от коллектора), поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (нецелесообразно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате аналогичный исходному биполярный транзистор -- инверсное включение).

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент б, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = б Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента б 0,9--0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен в = б/(1 ? б), от 10 до 1000. Таким образом, малым током базы можно управлять значительно большим током коллектора.

2.2 Режимы работы биполярного транзистора

Нормальный активный режим: Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база -- в обратном (закрыт)

U_ЭБ>0; U_КБ<0 (для транзистора p-n-p типа), для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U_ЭБ<0;U_КБ>0.

Инверсный активный режим: Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход -- прямое.

Режим насыщения: Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (I_Э.нас) и коллектора (I_К.нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (U_КЭ.нас) - это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог R_СИ.отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (U_БЭ.нас) - это падение напряжение между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки: В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6--0,7 В). Режим отсечки соответствует условию U_ЭБ<0,7 В, или I_Б=0.

Барьерный режим: В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

2.3 Схемы включения биполярных транзисторов

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

· Коэффициент усиления по току I_вых/I_вх.

· Входное сопротивление R_вх = U_вх/I_вх.

Схема включения с общей базой (рис.2.3.).

Рис.2.3. Усилитель с общей базой.

· Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.

· Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_к/I_э = б [б<1].

· Входное сопротивление R_вх = U_вх/I_вх = U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства

· Хорошие температурные и частотные свойства.

· Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой

· Малое усиление по току, так как б < 1

· Малое входное сопротивление

· Два разных источника напряжения для питания.

Схема включения с общим эмиттером (рис.2.4.).

Рис.2.4. Схема включения с общим эмиттером.

I_вых = I_к

I_вх = I_б

U_вх = U_бэ

U_вых = U_кэ

· Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_к/I_б = I_к/(I_э-I_к) = б/(1-б) = в [в>>1].

· Входное сопротивление: R_вх = U_вх/I_вх = U_бэ/I_б.

Достоинства

· Большой коэффициент усиления по току.

· Большой коэффициент усиления по напряжению.

· Наибольшее усиление мощности.

· Можно обойтись одним источником питания.

· Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

· Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

Схема с общим коллектором (рис.2.5.).

Рис.2.5. Схема с общим коллектором.

I_вых = I_э

I_вх = I_б

U_вх = U_бк

U_вых = U_кэ

· Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх = I_э/I_б = I_э/(I_э-I_к) = 1/(1-б) = в [в>>1].

· Входное сопротивление: R_вх = U_вх/I_вх = (U_бэ + U_кэ)/I_б.

Достоинства

· Большое входное сопротивление.

· Малое выходное сопротивление.

Недостатки

· Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем».



2.4 Основные параметры биполярных транзисторов

1.Коэффициент передачи по току.

2.Входное сопротивление.

3.Выходная проводимость.

4.Обратный ток коллектор-эмиттер.

5.Время включения.

6.Предельная частота коэффициента передачи тока базы.

7.Обратный ток коллектора.

8.Максимально допустимый ток.

9.Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

· коэффициент усиления по току б;

· сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:

o r_э -- сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;

o r_к -- сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;

o r_б -- поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление -- сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0.

Выходная проводимость -- внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2;

I_m2 = h₂₁I_m1 + h₂₂U_m2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» -- для схемы ОЭ, «б» -- для схемы ОБ, «к» -- для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I_m1 = I_mб, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mб-э, U_m2 = U_mк-э.

h_21э = I_mк/I_mб = в.

Для схемы ОБ: I_m1 = I_mэ, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mэ-б, U_m2 = U_mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ: ;

;

;

.

С повышением частоты вредное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C_к. Сопротивление ёмкости уменьшается, снижается ток через сопротивление нагрузки и, следовательно, коэффициенты усиления б и в. Сопротивление ёмкости эмиттерного перехода C_э также снижается, однако она шунтируется малым сопротивлением перехода r_э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента в в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционность процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов б и в на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме импульс тока коллектора начинается с запаздыванием на время задержки ф_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта ф_ф. Временем включения транзистора называется ф_вкл = ф_з + ф_ф.



Заключение

Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в устройствах, осуществляющих генерацию и усиление электрических колебаний. Основой любого транзистора является кристаллическая пластинка полупроводника, в котором используются те или иные свойства полупроводникового материала и электронно-дырочных переходов, в результате чего представляется возможным с помощью слабых управляющих токов или напряжений получать более мощные электрические колебания требуемого вида.

Подобно тому, как существует большое множество разновидностей диодов, известно большое число видов и разновидностей транзисторов.

Транзисторы различаются по числу основных видов носителей заряда, используемых при работе прибора. Транзисторы, в которых используются оба вида носителей, дырки и электроны, называются биполярными. В зависимости от геометрической структуры размещения зон с различной проводимостью они могут быть прямой (p - n - p) или обратной проводимости (n - p - n). Транзисторы, у которых используется только один основной носитель заряда, например, только дырки или только электроны, называются полярными

Самыми известными и доступными являются биполярные транзисторы прямой (p - n - p) и обратной (n - p - n) проводимости. Менее известны и доступны полевые транзисторы с каналом p и n типа.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе -- входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов



Список литературы

1. Забродин Ю. С. - Промышленная электроника.

2. Герасимов В.Г. (ред.)- Электротехника и электроника.

3. Под редакцией А. А. Чернышева. - Транзисторы.

4. Под редакцией Н. И. Горюнова. - Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам.

5. Васильев В. А.- Радиолюбителю о транзисторах.

6. Под редакцией Чернышева. - Диоды и транзисторы.

7. Интернет.

Размещено на Allbest.ru