Характеристики транзисторов в схеме с общим эмиттером

Поведение транзистора в статических условиях, т.е. в отсутствие входного сигнала, определяют:

входные характеристики, или зависимости входного тока I Бот входного напряжения U Б-Э;

выходные характеристики, или зависимости выходного тока I Кот выходного напряжения U К-Э.

передаточные характеристики, или зависимости выходного тока I Кот входного тока I Били входного напряжения U Б-Э.

Рассмотрим характеристики, относящиеся к п-р-п- транзисторам. Для р-п-р -транзисторов нужно изменить полярность напряжения постоянного тока. В общем случае для описания п-р-п- транзистора используют три характеристики: входная, выходная и проходная.

На рис. 1.8, а представлены входные характеристики п-р-п -транзисторов, на основе кремния и германия. Они ничем не отличаются от вольтамперных характеристик р-п -перехода диодов, смещенных в прямом направлении, поскольку в этом случае вход (переход база—эмиттер) как раз и является таким переходом. Заметим, что, как и в диоде, входной ток I Бначинает протекать через эмиттерный переход только тогда, когда на этом переходе устанавливается требуемое значение прямого напряжения (0,3 В для Ge и 0,6 В для Si). Если это напряжение установлено, то в дальнейшем слабое изменение напряжения между базой и эмиттером U Б-Эприводит к сильному увеличению тока базы.

Рис. 1.8. Входная (а), выходные (б)и передаточная (в)характеристики транзистора

 

Таким образом, транзистор можно рассматривать как элемент, управляемый током, а не напряжением. При малых напряжениях U Б-Эи токах базы I Б используют понятие дифференциального входного сопротивления R Б-Э= d U Б-Э/d I Б-Э, которое можно определить по наклону входной характеристики. Входное сопротивление транзистора важно учитывать при расчете переходных процессов и в качестве нагрузки предшествующего источника напряжения или усилительного каскада.

На рис. 1.8, б приведено семейство кривых, называемых выходными характеристиками транзистора, которые устанавливают связь тока коллектора (выход­ного тока) I Кс напряжением на коллек­торе (выходным напряжением) U К-Эдля определенных значений тока базы (входного тока) I Б. Эти кривые устанавливают также взаимосвязь входного тока I Б и с выходным током I Ки выходным напряжением U К-Э.

Например, для транзистора с выходными характеристиками, приведенными на рис. 1.8, б, при I Б=40 мкА и U К-Э=6 В ток коллектора I К= 4 мА (точка А). Напряжение U К-Элегко определяется по выходной характеристике, соответствующей выбранным токам базы и коллектора. Точка С соответствует состоянию полностью закрытого транзистора, а точка В — полностью открытого.

Передаточные характеристики транзистора (их еще называют проходными) устанавливают взаимосвязь между входным и выходным токами транзистора. На рис. 1.8, в показан график зависимости тока коллектора I Ктранзистора от тока базы I Б. С помощью этой характеристики можно рассчитать статический коэффициент усиления тока.

Например, если точка А — рабочая точка транзистора, то по графику определяем I Б=40 мкА и I К = 4 мА, следовательно, b = 4×1000/40 = 100, т.е. получаем тот же результат, что и в предыдущем случае.

Очень важным параметром любого транзистора является его коэффициент усиления по постоянному току, называемый статическим коэффициентом усиления тока. Это коэффициент усиления тока для транзистора, находящегося в статическом режиме, т.е. в отсутствие входного сигнала.

Статический коэффициент усиления тока является безразмерной величиной, так как определяется отношением выходного тока к входному току базы:

b = I К/ I Б. (1.1)

Коэффициент b можно рассчитать с помощью выходных характеристик транзистора. Например, если транзистор работает в режиме, определяемом рабочей точкой А (при I Б=40 мкА и I К= 4 мА), то b = 4×1000/40 = 100, т.е. коэффициент усиления по току равен 100.

Если в цепи коллектора установлен резистор, то изменение тока в транзисторе будет приводить к падению напряжения на этом резисторе, которое будет пропорционально силе тока, протекающего через него. С другой стороны, управляющий ток базы транзистора пропорционален подаваемому на базу напряжению. Следовательно, при правильно подобранном коллекторном резисторе коэффициент усиления по напряжению будет близок к коэффициенту усиления по току.

Кривая при I Б=0 соответствует транзистору в непроводящем состоянии, т.е. в состоянии отсечки, когда значение напряжения U К-Эменьше требуемого значения прямого напряжения на эмиттерном переходе. Теоретически ток транзистора равен нулю при I Б =0, однако реально очень слабый ток утечки всегда протекает через коллекторный переход.

В более общем случае на нелинейных участках характеристики оп­ределяют дифференциальный коэффициент усиления тока bдиф = d I К/d I Бпри данном U К(здесь и далее d означает дифференциал или приращение).

Вместо зависимости тока коллектора I Ктранзистора от тока базы I Бможно построить зависимость I Кот напряжения на базе U Б-Э, которая будет очень похожа на кривую, показанную на рис. 1.8, в. Наклон такой кривой на линейном участке характеризует крутизну выходной характеристики:

S = d I К/d U Б-Э. (1.2)

Учитывая, что напряжение на базе связано с током базы через диф­ференциальное входное сопротивление, т.е. d U Б-Э= R Б-Эd I Б-Э, получим:

S =d I К/(R Б-Эd I Б-Э) =(d I К/d I Б-Э)/ R Б-Э=b/ R Б-Э,

или b = SR Б-Э. (1.3)

Согласно формуле (1.3), последние три параметра взаимосвя­заны и, зная два из них, можно определить третий. Эти параметры называют малосигнальными, т.е. характеризующими работу транзисто­ра при малых токах и напряжениях. При больших токах и напряжени­ях в транзисторе приведенные зависимости искажаются и приобрета­ют нелинейный характер. Кроме того, в р-п -переходах транзистора, как и в диодах, при подаче больших обратных напряжений могут происходить пробои лавинного, теплового и туннельного типа.

В общем случае изменение входных и выходных токов транзисто­ра в зависимости от изменения входных и выходных напряжений можно записать в виде

d I Б = y 11d U Б-Э+ y 12 d U К-Э; (1.4)

d I К = y 21d U Б-Э+ y 22 d U К-Э.

где y 11= 1/ R Б-Э— входная проводимость транзистора;

y 12= S Б— крутизна характеристики обратной передачи тока на базу (малая величина);

y 21= S — крутизна проходной характеристики;

y 22= 1/ R К-Э— выходная проводимость транзистора.

Если в качестве рабочих (управляющих) величин взять входной ток I Би коллекторное напряжение U К-Э, то изменения напряжения базы и тока коллектора можно представить в следу­ющем виде:

d U Б-Э = h 11d I Б+ h 12 d U К-Э, (1.5)

d I К = h 21d I Б+ h 22 d U К-Э.

где h 11= R Б-Э — входное сопротивление;

h 12= A Б— коэффициент обратной передачи (малая величина);

h 21= b — коэффициент усиления по току;

h 22= 1/ R К-Э— выходная проводимость.

Так же, как и диоды, транзисторы имеют различное применение и соответственно различны по исполнению и конструкции. Высокочастотные транзисторы, предназначенные для работы в цепях высокочастотных усилителей, генераторов и смесителей, имеют малые размеры, характеризуются малыми емкостями переходов, низким уровнем шумов. Для входных каскадов усилителей разработаны транзисторы с высоким коэффициентом усиления по току (до 100) и низким уровнем шума.

Для мощных усилительных каскадов разработаны транзисторы, пропускающие токи до 10 А. Еще более мощные транзисторы разрабо­таны для управления силовыми установками и электродвигателями.

В ключевых и усилительных каскадах применяют также составные транзисторы, выполненные по схемам Дарлингтона (см. гл. 2, рис. 2.21, в) и каскодной (рис. 2.21, г) и работающие как один транзистор с более высоким коэффициентом усиления.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы — это полупроводниковые приборы для усиления тока или напряжения, в кото­рых проходящий через них ток управляется электрическим полем.

Различают полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом и с диэлектрическим затвором.

Полевые транзисторы с управляющим р-п- переходом

На рис. 1.9, а, б приведены полупроводниковые структуры полевых транзисторов соответственно с одним и двумя управляющими р-п -переходами. Полевые транзисторы имеют три электрода: исток (и), сток (с) и затвор (з). Электрод, аналогичный катоду в лампе, называется истоком, роль анода выполняет сток. Ток основных носителей проходит в п -канале проводимости и управляется напряжением на затворе (рис. 1.9, в). Подавая напряжение на затвор, можно управлять шириной р-п- перехода, регулировать поперечное сечение канала и таким образом менять его проводимость. Ширина р-п- перехода меняется обратным смещением (подклю­чением минуса к истоку и плюса к затвору). При этом увеличивается потенциальный барьер, и расширятся область, обедненная носителями, за счет чего изменяются сопротивление и ток в проводящем канале. УГО транзисторов с n - и p -каналами показаны на рис. 1.9, г, д, соответственно.

Рис. 1.9. Структуры полевых транзисторов с одним (а) и двумя (б) управляющими переходами, схема их включения (в) и УГО соответственно

для транзисторов с каналами n - (г) и р -типа (д)

Полевые транзисторы управляются напряжением на затворе, имеют высокоомный вход (большое входное сопротивление R З-И), малые управляющие токи и большие коэффициенты усиления по напряжению. Выходные и передаточные статические характеристи­ки полевых транзисторов похожи на характеристики биполярных транзисторов, но имеют некоторые особенности.

В частности, при подаче отрицательного напряжения на затвор ток в транзисторе уменьшается. Если напряжение между затвором и стоком равно нулю, то при повыше­нии напряжения сток—исток (U С-И) ток в транзисторе нарастает и быстро достигает значений, соответствующих состоянию насы­ще­ния. Этот ток называется начальным током стока I начС-И. Напряже­ние, при котором ток стока достигает предельно низкого значения, называется напряжением отсечки транзистора (U отс З-И). Усилитель­ные свойства полевых транзисторов лучше всего характеризуются дифференциальной крутизной передаточной характеристики аналогичной (1.2):

S = d I С/d U З-И,

где I С— ток стока; U З-И— напряжение между затвором и истоком при заданном напряжении исток—сток.

При больших напряжениях на стоке происходит пробой р-п- перехода затвора, и чем больше напряжение на затворе, тем ниже напряжение пробоя.

Частотные характеристики полевых транзисторов определяются временем заряда и разряда барьерной емкости. На низких часто­тах входное сопротивление полевых транзисторов полностью определяется высоким входным статическим сопротивлением R З-И. С ростом частоты входное сопротивление уменьшается, поэтому на больших частотах требуется более мощный входной сигнал. Кроме того, из-за обратной связи, обусловленной наличием проходной емкости, на высоких частотах падает коэффициент уси­ления.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзи­сторы)

Полевые транзисторы, изготовляемые по технологии металл—оксид—полупроводник (МОП), в соответствии со структура­ми, приведенными на рис. 1.10, имеют металлический затвор, отделенный оксидом кремния (диэлектриком) от полупроводникового канала проводимости, и называются МОП-транзисторами. Так как оксид кремния (SiO2) — диэлектрик, их называют также МДП-транзисторами (металл—диэлектрик—полупроводник). Подложка (П) создается из полупроводника с р -проводимостью, а встроенный канал — из полупроводника с п- проводимостью. Канал проводимости полупроводника покрыт диэлектрическим слоем, на котором нанесен металлический слой затвора. При подаче на затвор отрицательного потенциала напряжения электроны вытесняются из канала проводимости, увеличивая его сопротивление. При подаче на затвор положительного потенциала напряжения число электронов в канале проводимости увеличивается и сопротивление в нем падает, а ток возрастает.

Рис. 1.10. Структуры и УГО полевых МОП (МДП)-транзисторов с индуцируемым (а) и встроенным (б) р -каналом

 

Некоторые МДП-транзисторы имеют невстраиваемый канал проводимости (см. рис. 1.10, а). Проводимость в них возникает при подаче на затвор отрицательного напряжения. При этом в подложке под затвором возникает индуцируемый канал проводимости за счет увеличения ее собственных носителей зарядов (дырок). Сила тока в таком транзисторе управляется затвором только при отрицательном его потенциале. При положительном потенциале число носителей зарядов резко падает и транзистор запирается. Такие транзисторы хорошо работают как ключевые каскады.

Характеристики МДП-транзисторов примерно такие же, как и у полевых транзисторов, управляемых р-п -переходом. Быстродействие МДП-транзисторов определяется временем перезарядки емкости между затвором и каналом. При малом внешнем сопротивлении входной цепи рабочий диапазон их частот может достигать 10 ГГц, однако при этом сильно ослабевает выходной сигнал. Если использовать МДП-транзистор, управляемый напряжением при собственном высоком входном сопротивлении, то постоянная времени перезарядки емкости затвора резко возрастает и рабочий диапазон его частот снижается до нескольких мегагерц.

Ключевые каскады на полевых транзисторах упрощают схемы и повышают их надежность. Важно помнить, что полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление и управляются напряжением, подаваемым на затвор, а не током, как в обычных биполярных транзисторах.

Преимущества полевых транзисторов над биполярными:

1. Высокое входное сопротивление.

2. Управление осуществляется только напряжением (без тока) без потери мощности в цепи управления.

3. У МОП транзисторов малая емкость затвора, что позволяет создавать высокочастотные транзисторы с предельной частотой до 40 ГГц.

Фототранзисторы. Фототранзисторы имеют примерно такую структуру, как и МДП-транзисторы. Вместо управляющего электрода в них имеется окно для подачи света в канал проводимости, который выполнен из полупроводника с низкой собственной проводимостью. При подаче света в полупроводнике возникают электронно-дырочные пары, при этом между истоком и стоком появляется электрический ток (см. подразд. 1.9).

Полупроводниковые приборы с зарядовой связью. В полупроводни­ковых приборах с зарядовой связью (ПЗС) может происходить накоп­ление неосновных носителей зарядов под электродами МДП-структур и перемещение их от одного электрода к другому. Под действием электрического поля под затворами ПЗС в полупроводнике образуются потенциальные ямы, в которых скапливаются и могут сохраня­ться носители зарядов. Если затворов несколько и они последовательно располагаются на линии, то, подавая напряжение на соседний с потенциальной ямой затвор, можно переместить заряд в другую потенциальную яму. По своей структуре ПЗС подобны полевым МДП-транзисторам. Они имеют подложку, исток, сток и несколько затворов, расположенных последовательно.

Существующие различные типы ПЗС используются в следу­ющих направлениях:

оперативные запоминающие устройства электронных вычислительных машин (ЭВМ);

устройства запоминания и преобразования изображений в электрические сигналы;

устройства обработки аналоговой информации.

Более подробную информацию о ПЗС и их использовании можно найти в специальной литературе.