СПРАВОЧНИК МОЛОДОГО РАДИСТА
Общие сведения
Транзисторы представляют собой электропреобразовательные полупроводниковые приборы с одним или несколькими электрическими переходами, пригодные для усиления мощности сигнала и имеющие три (или более) внешних вывода. Наиболее распространенные транзисторы имеют два электронно-дырочных перехода. В двухпереходных транзисторах используют два различных типа носителей заряда (электроны и дырки), поэтому их называют биполярными.
Основным элементом биполярного транзистора (рис. 52, а, б) является кристалл полупроводника, в котором с помощью примесей созданы три области с различной .проводимостью.» Если средняя область имеет электронную проводимость типа n, а две крайние — дырочную проводимость типа р, то структура такого транзистора обозначается р-n-р в отличие от структуры n-р-n, при которой транзистор имеет среднюю область с дырочной, а крайние области — с электронной проводимостями.
Средняя область кристалла полупроводника 1 (рис. 52, а), служащая основой для образования электронно-дырочных переходов, называется базой, крайняя область 2, инжектирующая (эмигрирующая) носители заряда, — эмиттером, а область 3, собирающая инжектированные носители заряда, — коллектором. К каждой из двух областей припаяны соответственно эмиттерный Э, базовый Б и коллекторный К токоотводы, которыми транзистор включается в схему. Кристалл укрепляют на специальном кристаллодержателе и. помещают в герметизированный металлический, пластмассовый или стеклянный корпус. Внешние токоотводы электродов проходят через изоляторы в дне корпуса.
Рис. 52. Устройство биполярного транзистора (а) и его условное обозначение (б)
Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между базой и коллектором — коллекторным. Базовая область транзистора выполняется с очень малой толщиной (от 1 до 10 — 20 мкм). Различна степень легирования областей. Обычно концентрация примесей в эмиттере на 2 — 3 порядка выше, чем в базе.
Степень легирования базы и коллектора зависит от типа прибора.
Для работы транзисторов к их электродам подключают постоянные напряжения внешних источников энергии. Помимо постоянных напряжений к электродам подводят сигналы, подлежащие преобразованию. В связи с этим различают входную цепь, к которой подводят сигнал, и выходную, куда включают нагрузку, с которой снимают сигнал. В зависимости от того, какой из электродов при включении транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают схемы с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК.
Рис. 53. Схемы включения биполярных транзисторов: а — с ОБ, б — с ОЭ, в - с ОК.
В схеме с ОБ (рис. 53, а) входной цепью является цепь эмиттера, а выходной — цепь коллектора, в схеме с ОЭ (рис. 53,6) входной — цепь базы, а выходной — цепь коллектора, в схеме с ОК (рис. 53, в) входной — цепь базы, а выходной — цепь эмиттера.
В зависимости от полярности напряжений внешних источников, подключенных к эмиттерному и коллекторному переходам, различают активный, отсечки, насыщения и инверсный режимы работы транзистора.
Активный режим используется при усилении слабых сигналов. В этом режиме напряжение внешнего источника к эмиттерному переходу включается в прямом, а к коллекторному — в обратном направлении. Эмиттер инжектирует в область базы неосновные для нее носители заряда, а коллектор производит их экстракцию (выведение) из базовой области.
В режиме отсечки к обоим переходам подводят обратные напряжения, при которых ток, проходящий через транзисторы, ничтожно мал. »
В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся под прямым напряжением; в них происходит инжекция носителей, транзистор превращается в двойной диод, ток в выходной цепи максимален при выбранном значении нагрузки и не управляется током входной цепи; транзистор полностью открыт. В режимах отсечки и насыщения транзисторы обычно используются в схемах электронных, переключателей. .
В инверсном режиме меняются функции эмиттера и коллектора: к коллекторному переходу подключают прямое, а к эмиттерному — обратное напряжение. Однако такое включение транзистора неравноценно из-за несимметрии структуры и различия концентрации носителей в его областях.
Принцип действия транзистора в активном режиме рассмотрим с помощью схемы с ОБ (см. рис. 53,а). При включении напряжений эмиттерного EЭб
и коллекторного EКб источников изменяются потенциальные диаграммы переходов. Напряжение EЭб
снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода, вследствие чего через него из эмиттерной области яачнется инжекция дырок в базу, а электронов — наоборот, из базовой области в эмиттерную. Концентрация основных носителей в эмиттерной области на 2 — 3 порядка выше, чем в базе, поэтому инжекция дырок в базу Iэр превышает поток элек-. тронов Iэn из базы в эмиттер. При этом через эмиттерный переход проходит суммарный ток эмиттера Iэ=Iэр+Iэп. Убыль дырок в эмиттере компенсируется уходом из него во внешнюю цепь такого же количества электронов.
В результате повышенной концентрации дырок в базе происходит их диффузионное перемещение от эмиттерного к коллекторному переходу. На этом пути часть дырок рекомбинирует с электронами базы и создает в цепи базы небольшой рекомбинационный ток Iб. Чтобы уменьшить вероятность рекомбинации дырок в базе, толщину базы (w<0,25 мм) выбирают меньше их диффузионной длины дырок (для германия L=0,3-5-0,5 мм).
Транзисторы, в которых отсутствует электрическое поле в базе, а перемещение (дрейф) носителей тока происходит за счет диффузии, называют бездрейфовыми, транзисторы, в которых за счет неравномерной концентрации примесей в базе возникает электрическое поле и перемещение носителей тока через базу происходит под действием сил этого поля, — дрейфовыми.
К коллекторному переходу напряжение внешнего источника подключают в непроводящем (обратном) направлении. Электрическое поле, создаваемое этим источником, будет тормозящим для основных и ускоряющим для неосновных носителей тока.
Под действием этого поля дырки, инжектированные в базу, будучи неосновными но-сителями тока, перемещаются из базы в коллекторную область. Избыток дырок в коллекторе компенсируется током электронов от источника Eк, в результате чего во внешней цепи коллектора проходит ток Iк.
Если транзистор включен в схеме усилителя, то к входным зажимам кроме постоянного напряжения смещения Еэ подключают переменное напряжение сигнала UBXt которое нужно усилить, а к выходным зажимам кроме напряжения источника Ек — нагрузку Rн. Прямосмещенный эмиттерный переход обладает малым сопротивлением, поэтому,даже незначительные изменения потенциала в цепи эмиттера ua=E9+UB]i
(вследствие изменений напряжения сигналу Uвх на входе) вызовут большие изменения тока. Изменения тока эмиттера приведут к изменению тока и напряжения в выходной (коллекторной) цепи. При соответствующем подборе нагрузки Rн можно получить большое изменение выходного напряжения UВых и мощвости, т. е. осуществить с помощью транзистора усиление сигнала за счет энергии источника Ех. Эффективность такого усиления сигнала по напряжению оценивают отношением изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения, т. е Kн=ДUвых/АUвх.
§ 33. Характеристики и параметры
Характеристики. Статические характеристики отражают зависимость между токами и напряжениями во входных и выходных цепях транзистора. Свойства транзисторов в основном оценивают с помощью семейства входных и выходных характеристик, снимаемых в схеме с ОБ и ОЭ.
Входные характеристики транзистора р-n-р в схеме с ОБ (рис. 54, а) выражают зависимость тока эмиттера Iэ от его напряжения относительно базы Uss, т. е. Iэ=ф(Uэб) при Uкб=const. В активном режиме при увеличении напряжения Uэв снижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе. При этом усиливается инжекция неосновных носителей через переход и возрастает ток эмиттера.
Выходные характеристики в схеме с ОБ (рис. 54,6) представляют зависимость тока коллектора Iк=ф(Uкб) при Iэ=const.
В активном режиме работы транзистора (Uко<0) значение тока в кол лекторной цепи определяется числом инжектированных эмиттером в базу неосновных носителей заряда. При токе в эмиттере Iэ>0 увеличивается приток дырок в базу и их перенос к коллекторнрму переходу, поэтому Iк растет. Особенностью выходных характеристик в схеме с ОБ % является слабая зависимость тока Iк от напряжения Uкб- Допустимая мощность Рк макс, рассеиваемая в коллекторной цепи транзистора, показана на рисунке в виде параболической кривой.
Входные характеристики транзистора р-n-р в схеме в ОЭ (рис. 55, а) выражают зависимость тока базы Iб=ф(Uбэ) при UKa=const. При увеличении внешнего напряжения Uбэ уменьшается потенциальный барьер в эмиттерлом переходе, возрастает инжекция дырок в базу и увеличивается концентрация дырок в базе, что вызывает рост токов Iэ и Iк. Одновременно с увеличением избыточного заряда дырок в базе больше вероятность их рекомбинации, поэтому ток базы Iб тоже возрастает.
Рис. 54. Входные (а) и выходные (б) характеристики транзисторов в схеме с общей базой
Выходные характеристики транзистора для схем с ОЭ (рис. 55, б) представляют зависимость тока коллектора Iк=ф(Uкэ) при Iб=const. В активном режиме с подачей на базу отрицательного (относительно эмиттера) напряжения через эмиттерный переход проходит ток Iэ, обусловленный инжекцией неосновных носителей в базу. Некоторая часть этих носителей рекомбинирует и создает положительный ток базы Iб, а большая часть экстрагируется в коллекторную область, увеличивая ток Iк. В результате выходные характеристики, снятые при больших токах базы Iб, идут выше, так как им соответствуют большие значения тока коллектора. Статические характеристики используют для выбора режима работы транзисторов в усилительных, ключевых и других схемах.
Рис. 55. Входные (а) и выходные (б) характеристики транзисторов в схеме с общим эмиттером
Параметры. Транзисторы характеризуются следующими параметрами: постоянного тока, в режиме малого сигнала, частотными; в режиме большого сигнала и предельных режимов.
Параметра м и постоянного тока, определяющими значения неуправляемых токов через p-n-переходы транзисторов, являются следующие.
Обратный ток коллектора Iкво — ток через переход коллектор — база при разомкнутой цепи эмиттера и заданном (обычно максимально допустимом) напряжении на коллекторе Uкб.
Обратный ток эмиттера IЭбо — ток через переход эмиттер — база при разомкнутой цепи коллектора и заданном напряжении на эмиттере.
Обратный ток коллектор — эмиттер 1КЭО (устаревшее название начальный ток коллектора Iк н) — ток в цепи коллектора при непосредственно замкнутой цепи эмиттер — база и заданном напряжении на коллекторе UK9.
Обратный ток коллектор — эмиттер Iкэй — то же, при включении между базой и эмиттером резистора с заданным сопротивлением.
Параметры в режиме малого сигнала устанавливают связь между изменениями токов и напряжений на входе и выходе транзистора. Характеристики транзисторов нелинейны, поэтому -параметры в режиме малого сигнала значительно зависят от выбора исходного режима (выбора рабочей точки).
При малом уровне сигнала транзистор удобно рассматривать как активный линейный четырехполюсник, у которого переменные токи и напряжения малых сигналов, действующие во внешних цепях на входе I1U1 и выходе I2U2, можно связать между собой системой уравнений: AU1=h11AIi+h12AU2; AI2=A2iAIi+A22AU2. Коэффициелты h11, h12, h21, h22 отражают электрические свойства транзисторов в отношении малых сигналов низкой частоты в выбранной ра« бочей точке и называются h-параметрами. Их легко определить, осуществив режим короткого замыкания (к.з) по переменному току на выходе (АU2=0) и режим холостого хода (х.х) на входе (AIi=0) транзистора Подставляя значения напряжения ДU2=0 при к.з. на выходе и тока АI]=0 при х.х. на входе в приведенные выше уравнения, можно определить А-параметры.
Входное сопротивление транзистора в режиме к.з. выходной цепи h11=ДU1IДI1 при ДU2=0.
Коэффициент обратной связи по напряжению в режиме х.х.
во входной цепи h12=ДU1/AU2
при ДI1=0 показывает, какая часть на пряжения сигнала ДU2, действующего на выходных зажимах транзистора, передается обратно во входную цепь.
Коэффициент передачи тока h21=AI2/AIi при ДU2=0 показывает, на какое значение изменяется выходной ток транзистора ДI2
при изменении входного тока на значение ДI1 в режиме к. з. по переменному току на выходе. Эти коэффициенты, обозначаемые для схем с ОБ А24б, а для схем с ОЭ — h21a, связаны между собой соотношениями- А21э= — h21б/(1+h21б); h21б= — h21э/(1+h21э).
Коэффициенты передачи тока определяют на низких (50 — 1000 Гц) частотах, при которых можно пренебречь реактивными про-водимостями, т. е. фазовым сдвигом между токами и напряжениями на входе и выходе транзистора. На высоких частотах эти параметры становятся комплексными величинами, поэтому усилительные свойства транзисторов на них характеризуют модулем коэффициента передачи тока /h21б/или /h21э/.
Выходная проводимость — отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению выходного напряжения в режиме хх. на входе, т. е. А22=ДI2/ДU2 при ДI1=0.
Емкость коллекторного перехода Ск — емкость между выводами коллектора и базы при отключенном эмиттере и обратном смещении на коллекторе. .
Емкость эмиттерного перехода Сэ — емкость между выводами эмиттера и базы при отключенном коллекторе и обратном смещении на эмиттере.
Постоянная времени цепи обратной связи тк на высокой частоте, определяемая как произведение омического сопротивления базы на емкость коллекторного перехода TK=rg CK.
Коэффициент шума Кш — отношение полной мощности шумов в выходной цепи транзистора к той ее части, которая создается на нагрузке тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Для большинства транзисторов он имеет минимальное значение на частотах 1 — 10 кГц. Его принято измерять на частоте 1 кГц. При увеличении температуры, а также на низких и высоких частотах шумы возрастают. Минимальный шум возникает при работе транзистора с малыми токами коллектора (0,1 — 0,5 мА) и с малым коллекторным напряжением (0,5 — 1,5 В).
Высокочастотные свойства транзисторов характеризуются следующими частотными параметрами.
Предельная частота коэффициента передачи тока fh216
или fа для схемы с ОБ и fh21э
или fр — для схемы с ОЭ — это частота, на которой модуль коэффициента передачи тока уменьшается в \/2 раз, т. е. до 0,7 своего значения на низкой частотте. В схеме с ОЭ h21Э<h21б. Предельная частота непосредственно не определяет частотный предел использования транзистора, а ограничивает ту область частот, в пределах которой можно пренебречь частотной зависимостью параметров.
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр — частота, на которой модуль коэффициента передачи тока транзистора, включенного по схеме с ОЭ, равен единице. Для любой частоты диапазона от 0,1 fгр до fгр модуль коэффициента передачи тока изменяется вдвое при изменении частоты в 2 раза. Модуль коэффициента передачи тока |A218|=frp/f. Предельная и граничная частота связаны соотношениями: fh21Э=fh216/h21Э; fh216=h21Эfh21Э; fгр=0,8 fh21б.
Максимальная частота генерации fмакс (МГц) — наибольшая частота, на которой транзистор способен генерировать колебания в схеме автогенератора при, оптимальной обратной связи:
где r6 — сопротивление базц. Ом; Ск — емкость коллектора, пФ.
Параметры в режиме большого сигнала характеризуют работу транзисторов в режимах, при которых токи и напряжения между выводами транзистора меняются в широких пределах. Эти параметры используют для оценки режима работы транзистора в мощных каскадах усилителей, автогенераторах, импульсных схемах. К параметрам в режиме большого сигнала относят следующие
Статический коэффициент передачи тока h213 (или 5Ст) определяется как отношение постоянного тока коллектора к току базы (h21э=:Iк/Iб) при заданном напряжении Uкэ.
Напряжение насыщения база — эмиттер Uбэн и коллектор — эмиттер Uкан. В режиме насыщения оба р-га-перехода транзистора находятся в проводящем состоянии. В этом режиме базовая область получает дополнительный заряд,-создаваемый подвижными носителями. .В режиме насыщения при включении и выключении транзистора необходимо дополнительное время для накопления и рассасывания избыточного заряда, что снижает скорость переключения.
Время рассасывания tp — интервал времени между моментом подачи на базу транзистора запирающего импульса и моментом, когда напряжение на коллекторе достигнет уровня (0,1 — 0,3) UH. Время рассасывания зависит от глубины насыщения транзистора Глубина насыщения определяется коэффициентом насыщения Лн=(Iбh21э)/Iк. Он показывает, во сколько раз ток базы транзистора, находящегося в режиме насыщения, больше тока базы, требуемого для перевода транзистора на границу насыщения, при которой напряжение на коллекторном переходе равно нулю.
Параметры предельных режимов устанавливаются исходя из условий обеспечения надежной работы транзисторов.
Чтобы радиотехнические устройства на транзисторах работали безотказно, рабочие режимы транзисторов выбирают такими, при которых ток, -напряжения и мощность не превышают 0,8 их максимально допустимых значений. К параметрам предельных режимов относятся следующие.
Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора Ас макс (при температуре окружающей среды TС или корпуса Тк), при которой обеспечивается сохранность транзистора. Превышение Рк макс ведет к перегреву и тепловому пробою транзистора. При повышении температуры среды или корпуса эта мощность должна снижаться. При заданной температуре корпуса Тк или окружающей среды Tс допустимая мощность (Вт) Pк.макс=(Tпмакс — TK)/Rпк; Рк макс = (Tп мако — Tc)/Rnc, где Tп макс — максимально допустимая температура p-n-перехода, °С; Как и RПс — соответственно тепловое сопротивление переход — корпус и переход — окружающая среда, °С/мВт. Для транзисторов малой мощности Rac составляет 0,2 — 2°С/мВт, у биполярных транзисторов средней и большой мощности Rпк= 1 — 50 °С/мВт.
Предельно допустимая температура коллекторного перехода Тк п макс, характеризующая наибольшую температуру коллектора, при которой гарантируется работоспособность и сохранность транзистора. Рабочая температура коллектора зависит от мощности, рассеиваемой в основном на коллекторном -переходе, температуры окружающей среды и условий теплоотвода.
Значение Tкпмакс определяется физическими свойствами полупроводниковых материалов.
Максимально допустимые напряжения UКбмакс, Uкэ макс, Vбэ макс, определяемые электрической прочностью соответствующих переходов транзистора. Превышение этих величин приводит к росту тока и электрическому или тепловому пробою перехода Для ряда транзисторов указывается сопротивление между базой и эмиттером Квэ, при котором допустимо заданное напряжение Uкэмакc при- отсутствии запирающего смещения на базе. Для маломощных транзисторов Rбэ<10 кОм, а для мощных Rбэ=100 Ом.
Максимально допустимые значения токов 1К макс, la макс, Iб маке устанавливаются для того, чтобы в период эксплуатации не нарушался механизм движения носителей заряда в полупроводнике из-за плотности тока.
Максимальные значения токов, напряжений и мощности определяют границы области гарантированной надежности работы Работа в предельном режиме соответствует самой низкой надежности прибора, поэтому использование транзисторов в схемах в таком режиме не рекомендуется, а работа в совмещенных предельных режимах (например, по току и рассеиваемой мощности) вообще не допускается.
В импульсном (прерывистом) режиме работы допускается превышение предельных значений параметров непрерывного (длительного) режима, при этом указывается длительность импульса или скважность, при которых возможен такой форсированный режим.
