1.5.2 Схемы включения транзистора

1. Схема с общей базой (ОБ)

Рис.1-16 Схема ОБ

Транзистор можно использовать для усиления сигнала. Если U_кб >>U_эб и R_к >> R_э, тогда при почти одинаковых токах в цепи эмиттера и коллектора на R_к будет значительно большее падение напряжения чем на R_э, то есть происходит усиление напряжения, а значит и мощности сигнала.

2. Схема с общим эмиттером (ОЭ):

Рис.1-17 Схема ОЭ

Транзистор включенный по схеме ОЭ усиливает как напряжение так и ток. I_э = I_к + I_б и I_к = βI_б+(β+1)I_кб0, где β – коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером. β=α/(1-α), зависит от толщины базы и находится в пределах β=10 – 200.

3.Схема с общим коллектором (ОК)

Рис.1-18 Схема ОК

В этой схеме U_вых < U_вх , но U_{вых ≈} U_вх то есть усиление по напряжению не происходит, но усиливается ток приблизительно в β раз. Поэтому схема называется эмиттерный повторитель (повторяет напряжение).

1.5.3 Характеристики транзистора (схема об)

Рис.1-19 1,2 Входная и выходная характеристики

1. Входные характеристики: I_э =f(U_эб) при U_кб =const.

2. Выходные характеристики: I_к=f(U_кб) при I_э =сonst.

3 Проходные характеристики: I_к=f(I_э) при U_кб =const.

Рис 1-19 Проходная характеристика

При Uк = 0 входная характеристика является прямой ветвью BАX эмиттерного р-n - перехода. С ростом Uкб ВАХ смещается влево, так как рост обратного тока коллектора дополнительно открывает р-n переход и Iэ ≠ 0 при Uэб = 0. Для Iэ= 0 выходная характеристика является обратной ветвью коллекторного перехода. Если же Iэ> 0 , то Iк> 0 даже при Uкб = 0 за счет захвата инжектированных эмиттером носителей заряда полем потенциального барьера коллекторного перехода. При этом с ростом Uэб Iэ быстро достигает максимального значения, так как уже при малых Uкб основная часть инжектированных носителей захватывается коллектором.

1.5.4 Физическая модель транзистора

При расчете электронных схем реальный транзистор в схеме заменяется нижеприведенной моделью ,которая достаточно точно отображает его свойства.

Рис.1-20 Физическая модель транзистора

R_э =10 – 30 Ом, R_б =100 – 300 Ом, R_к =10⁴ - 10⁵ Ом

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник:

Рис.1-21 Транзистор как четырехполюсник

Тогда его можно описать системой h параметров:

Для определения h-параметров, воспользуемся методом короткого замыкания и холостого хода.

a) Короткое замыкание на выходе. Следовательно U₂ =0.

h₁₁=Z_вх - входное сопротивление

h₂₁б =α – коэффициент усиления по току в схеме с общей базой

h₂₁Э =β - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером

₁

b) Холостой ход на входе (I₁=0),тогда

U₁ =h₁₂U₂, h₁₂=U₁/U₂ – коэффициент обратной передачи по напряжению

I₂=h₂₂U₂, h₂₂=I₂/U₂ =y_вых - выходная проводимость.

1.5.5 Полевые (канальные) транзисторы (пт)

ПТ - полупроводниковый прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. В ПТ, в отличие от биполярного транзистора {глава 1.5.1}, по полупроводниковому каналу перемещаются носители заряда только одного знака (только электроны или только дырки).

Канал - это область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители заряда уходят из канала - стоком. Электрод, регулирующий поперечное сечение канала, называется затвор.

ПТ изготавливают из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с каналами р и n - типов.

Полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода

Это полупроводниковый прибор, в котором проводимостью канала можно управлять, подавая напряжение на закрытый р-n переход. На рисунке 1-22 приведена структура, схема включения и условное обозначение ПТ с каналом n-типа и затвором в виде р-n перехода.

В ПТ с каналом n-типа основные носители заряда в канале - электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока. Iс. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-п переход, образованный n-областью канала и р-областью затвора.

Поэтому в ПТ с каналом n-типа Uси>0, Uзи<0. В ПТ с каналом р-типа Uси<0, Uзи>0.

Рис 1-22 Полевой транзистор

1-вывод стока;2-затвор;3-канал;4-вывод затвора;5-вывод стока

На рисунке 1-23 показано как происходит изменение поперечного сечения канала из-за изменения ширины запирающего слоя при подаче напряжений между электродами транзистора. При подаче запирающего напряжения на р-n переход между затвором и каналом (рис. 1-23а) возникают равномерные слои, обедненные носителями зарядов и обладающие высоким удельным сопротивлением, что приводит к уменьшению ширины канала.

Рис.1-23. Перекрытие канала ПТ при различных напряжениях на электродах

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис.1-236), вызывает появление неравномерного обеднённого слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Если одновременно подать напряжение Uси>0 и Uзи <0 (рис.1-22в), то сечение канала будет определяться действием этих двух напряжений. Минимальное сечение канала определяется их суммой:Uси+|Uзи|.Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:Uси+|Uзи|=Uзап, обеднённые области смыкаются, ширина канала уменьшается до капилляра и динамическое сопротивление резко возрастает.

Зависимость тока стока Iс от напряжения Uси при постоянном напряжении на затворе Uзи, определяют выходные или стоковые характеристики (рис,1-24).

Рис.1-24.Выходная вольтамперная характеристики ПТ с каналом n-типа.

На начальном участке характеристики Uси + |Uзи| < Uзап и ток Iс возрастает с повышением Uси. При повышении напряжения сток-исток до величины Uси =Uзап- |Uзи| происходит смыкание канала, и рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение, приложенное к затвору ПТ. смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения U и тока Iс. Дальнейшее повышение напряжения Uси приводит к пробою р-n перехода между затвором и каналом, что выводит транзистор из строя.

По выходным характеристикам ПТ можно построить переходную характеристику Iс =f(Uзи) . На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси.

Входная характеристика ПТ: Iз = f (Uзи) не используется, так как переход между затвором и каналом закрыт, ток затвора очень мал и им можно пренебречь.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Это полупроводниковый прибор, в котором для дальнейшего уменьшения тока утечки затвора Iз между металлическим затвором и каналом, находится тонкий слой диэлектрика (SiO2), a р-n переход отсутствует. Такие ПТ называют МОП-транзисторами (структура металл - диэлектрик - полупроводник).

Рис.1-25 Полевой транзистор с изолированным затвором

Вольтамперные характеристики ПТ с изолированным затвором аналогичны характеристикам ПТ с затвором в виде р-n перехода. Но изолированный затвор позволяет работать и при напряжении Uзи>0, когда канал расширяется и увеличивается ток Iс.

Основные параметры ПТ:

1) крутизна переходной характеристики S = dIc/dUзи при Uси = const и

2) дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения Rc=dUси/dIс при Uзи = const.