Лабораторные работы_рус РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

неосновными носителями, и они двигаются главным образом за счёт диффузии, стремясь равномерно распределиться по всему объёму базы. Так как толщина базы мала, большинство дырок не успевает рекомбинировать в ней и достигает коллекторного перехода. Но некоторое количество дырок всё же успевает рекомбинировать с электронами проводимости в базе, тем самым, вызывая дополнительный приток электронов в базу из внешней цепи. Это обусловливает разделение дырочной составляющей тока эмиттера:

IЭp=IКу+IЭpeк,

IКу – управляемая часть тока эмиттера, замыкающаяся через коллекторную цепь (рис.5) и определяемая дырками, дошедшими до коллекторного перехода; IЭрек – рекомбинационная составляющая тока эмиттера ,которая замыкается через цепь базы и характеризует потери инжектированных дырок. Отношение

называется коэффициентом переноса. В основном рекомбинация происходит в пассивной области базы, но у правильно сконструированного кристалла IЭр» IЭрек и поэтому коэффициент переноса близок к единице: ξ=0,988-0,995.

Итак, у бездрейфового транзистора при обычном его режиме работы значения γ и ξ близки к единице. Поэтому и отношение

h21Б=IКу/IЭ=(IКу/IЭр)(IЭр/IЭ)=ξγ , (9)

называемое интегральным коэффициентом передачи тока эмиттера также оказывается близким к единице: h21Б=0,95-0,99. Этот коэффициент показывает, какая часть тока эмиттера замыкается через коллекторную цепь, а также характеризует управляющие свойства транзистора. Вблизи коллекторного перехода поток дырок попадает под действие электрического поля этого обратносмещённого перехода, что вызывает быстрый дрейф дырок через коллекторный переход в область коллектора (их экстракцию). В коллекторе электроны становятся

31

основными носителями зарядов, они легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора. Нужно сказать, что при подключении обратного коллекторного напряжения происходит увеличение потенциального барьера и толщины коллекторного перехода, который увеличивается за счёт области базы. В коллекторной цепи (при отсутствии тока эмиттера, т.е. IЭ=0) появляется слабый ток обратно включённого p-n перехода. Этот ток называют обратным током коллектора и обозначают IКБо. Он в основном определяется концентрацией неосновных носителей (дырок) в базе, т.к. при рК»рБ, концентрация неосновных носителей в коллекторе оказывается пренебрежимо малой.

Сопротивление обратносмещённого коллекторного перехода очень велико – несколько МегаОм и более. Поэтому в цепь коллектора можно включать весьма большие сопротивления нагрузки, не изменяя величину коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность. Сопротивление прямосмещённого эмиттерного перехода, напротив весьма мало (при токе 1 мA оно составляет около 25 Ом). Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается несравненно меньше, чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор способен усиливать мощность, т.е. является усилительным прибором.

2.5. Распределение токов в транзисторе

или с учетом равенств (5 – 8)

IЭ IЭp IЭn IКy IЭpek IЭn (IК IКБО ) (IБ IКБО ) IК IБ ,

32

Это выражение удовлетворяет первому закону Кирхгофа (сумма токов до узла равна сумме токов после узла):

Это выражение показывает, что выходной коллекторный ток пропорционален входному эмиттерному току в схеме с общей базой (с точностью до обратного тока). Коэффициент пропорциональности h21Б, как отмечалось выше – статический коэффициент передачи тока эмиттера в режиме большого сигнала и является очень важным параметром транзистора.

I Б (I Эn I Эpek ) I КБО (I Э I Кy ) I КБ 0 (I Э h21Б I Э ) I КБ 0

(1 h21Б )I Э I КБО

(13)

Последнее выражение показывает, что базовый ток составляет очень малую долю эмиттерного тока. В дальнейшем эта формула будет использована часто.

Рис.6. Транзистор как узел тока.

На рис.6. показаны также между электродные напряжения p-n-p - транзистора. Нетрудно определить напряжение на коллекторе относительно эмиттера:

33

Это выражение удовлетворяет второму закону Кирхгофа.

2.6. Дифференциальные коэффициенты передачи токов транзистора

Дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с общей базой определяется отношением приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении Uкб:

Поскольку в средней области значений эмиттерного тока h21Б

постоянен и dh21Б / dI2 =0, то можно заключить, что d h21Б. Транзистор также характеризуется интегральным

коэффициентом передачи тока базы в схеме с общим эмиттером, равным отношению управляемой части коллекторного тока к управляемой части базового тока:

Поскольку h21Б близок к единице, то h21Э 1.

Следует обратить внимание на то, что при нулевом токе

базы (IБ =IЭn+IЭpek–IKБО=0) ток эмиттера не равен нулю. В этом случае

IЭ=IK=IKу+IKБО=h21Э(IЭn+IЭpek)+IКБО 0.

Следовательно, U21Б и h21Э в этом режиме оказывается значительным.

Только при IБ = - IКБО, когда IЭn + IЭpek =0, что возможно лишь при условии IЭ =0, интегральные коэффициенты h21Б и h21Э

34

практически обращаются в нуль. Для схемы включения транзистора с общим эмиттером используются также дифференциальный коэффициент передачи тока базы:

при UКЭ = const.

2.7. Усилительные свойства и эквивалентная схема транзисторов по постоянному току

Усилительное свойство транзистора заключается в том, что ток эмиттера IЭ, создаваемый источником ЕЭ, а также его приращения IЭ практически целиком передаются в коллекторную цепь, где этот с соответствующими приращениями уже течет под действием ЭДС источника ЕК, которая выбирается значительно большей ЕЭ. Мощность, потребляемая от этого источника, РК=IКЕК значительно превышает мощность РЭ =IЭЕЭ, затраченную на создание тока IЭ, и тока IК IЭ. Таким образом, обеспечивается управление большой мощностью в коллекторной цепи при небольшой затрате мощности в эмиттерной цепи.

Для анализа работы транзистора удобно использовать его эквивалентную схему по постоянному току (рис.7).

h

Рис. 7. Упрощенная эквивалентная схема транзистора по постоянному току.

35

На этой схеме резистор r/Б учитывает распределенное сопротивление базы. Оно образуется слаболегированной областью базы (порядка 100 Ом). Диоды DЭ И DК отражают эмиттерный и коллекторный переходы. Генератор IК = h21БIЭ учитывают прямую передачу тока эмиттера в коллектор.

2.8. Вольт-амперные статические характеристики и параметры транзисторов

Транзистор имеет 3 электрода, один из которых общий и для входной цепи, и для выходной. Поэтому транзистор удобно рассматривать в виде четырехполюсника (рис.8), который характеризуют входными (U1;I1) и выходными (U2;I2) напряжениями и токами. Связь между этими четырьмя величинами I1,U1,I2,U2 в общем виде можно записать некоторой функциональной зависимостью:

(U1 ,U 2 , I1 , I 2 ) 0 .

Для характеристики четырехполюсника обычно две из этих величин берут как независимые переменные, а две другие рассматриваются как функция этих величин. Для транзистора наиболее удобно выбрать I1, U2 за независимые переменные. Тогда уравнения четырехполюсника для транзистора примут вид:

Рис.8. Транзистор как четырехполюсник

36

Эти зависимости нелинейны, что усложняет анализ работы транзисторных схем. Чаще всего расчеты проводят графическим методом, когда связь между токами и напряжениями (вольт-амперные характеристики) задаются в виде графиков. Однако в общем виде эти зависимости изображаются более или менее сложными поверхностями и пользоваться ими также неудобно. Поэтому на практике пользуются так называемыми статическими характеристиками, представляющими собой зависимости тока от напряжения одного электрода, когда напряжения или токи на других

- входное сопротивление транзистора для переменной составляющей тока при коротко замкнутой выходной цепи;

H12 U1 dI 0 , (I1 const )U2 1

- коэффициент обратной передачи по напряжению при разомкнутой входной цепи по переменному току;

37

- коэффициент передачи переменного тока при коротком замыкании выходной цепи;

- выходная проводимость при разомкнутой входной цепи по переменному току.

Рис.9. К определению H- параметров в схеме с ОЭ из статических характеристик

Из рис. 9 видно:

38

Аналогично можно определить H – параметры и для схемы с общей базой. Точность определения H- параметров графическим способом невысока.

В разных схемах включения вольт-амперные характеристики имеют разный ход, а параметры – разные значения. Однако физические процессы в транзисторе не зависят от схем включения. Поэтому между параметрами, определенными для транзистора в разных схемах включения, должна существовать связь. Приближенные формулы расчета H- параметров для схемы с ОЭ через H- параметры схем с ОБ и ОК и наоборот приведены в [1].

Для расчета электронных транзисторных схем достаточно знать параметры в одной из схем включения из справочной литературы.

Выбор рабочей точки и рассмотрение формы проходящего сигнала удобнее производить графическим путем с помощью нагрузочной прямой, построенной на семействах статических характеристик.

2.9. Динамический режим транзистора. Выбор и задание рабочей точки

Динамический режим транзистора – это режим, при котором выходной ток изменяется вследствие одновременного изменения входного тока и выходного напряжения. Ток, для схемы с ОЭ IК =f (IБ,UКЭ). Динамический режим возникает в транзисторе, если в коллекторную цепь его включить сопротивление нагрузки Rк (например, как на рис.10).

Рис.10. Включение транзистора в динамическом режиме.

39

При изменении входного тока меняется ток коллектора, и, следовательно, меняется и напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ, так как

Если увеличивается ток Iк, то уменьшается Uкэ. В свою очередь изменение Uкэ приводит к изменению Iк. Прямая линия, описываемая уравнением (18), называется нагрузочной прямой или линией нагрузки. Линию нагрузки строят на семействе выходных характеристик. Построение ее производится по двум точкам: А(Ек,0) и В(0,Ек/Rк) и показано на рис.11. Наклон нагрузочной прямой АВ зависит от сопротивления нагрузки Rк. Для переменной составляющей коллекторного тока полное сопротивление нагрузки обычно не совпадает с сопротивлением, поставленным в цепь коллектора Rк. Входная цепь следующего каскада имеет сопротивление Rн, которое обычно разделительной емкостью отделено от Rн по постоянной составляющей (рис.7). Но по переменной составляющей оно шунтирует Rк. Отсюда следует, что нагрузочная прямая по переменной составляющей будет менее наклонена к оси абсцисс (прямой ЕД). Она проходит через начальную (рабочую) точку 0 и удовлетворяет уравнению:

Нагрузочная прямая ЕД по переменному току, часто называется выходной характеристикой. Начальному режиму транзистора соответствует начальное положение рабочей точки «0», которая определяется значениями Iок, Iоб, Uокэ. Она выбирается на нагрузочной прямой для постоянного тока в зависимости от уровня входного сигнала, назначения данного каскада, заданного коэффициента нелинейных искажений, температурного режима и т.п. Рабочая точка выбирается в области, ограниченной на рис. 11 заштрихованными областями. Положение ее на нагрузочной прямой обычно выбирают так, чтобы нелинейные искажения выходного сигнала были наименьшими.

Коэффициент усиления КU по напряжению, амплитуду входного сигнала, входное сопротивление транзистора по

40