2. Транзисторы

Транзи́стор, полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Классификация транзисторов по структуре

Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа и внутренней структуры, поэтому подробная информация об этом отнесена в соответствующие статьи.

• Биполярные

  • n-p-n структуры, «обратной проводимости».

  • p-n-p структуры, «прямой проводимости»

В биполярном транзисторе носители заряда движутся от эмиттера через тонкую базу к коллектору. База отделена от эмиттера и коллектора pn переходами. Ток протекает через транзистор лишь тогда, когда носители заряда инжектируются из эмиттера в базу через pn переход. В базе они являются неосновными носителями заряда и легко проникают через другой pn переход между базой и коллектором, ускоряясь при этом. В самой базе носители заряда движутся за счет диффузионного механизма, поэтому база должна быть достаточно тонкой. Управления током между эмиттером и коллектором осуществляется изменением напряжения между базой и эмиттером, от которой зависят условия инжекции носителей заряда в базу.

• Полевые

  • с p-n переходом

  • с изолированным затвором

В полевом транзисторе ток протекает от истока до стока через канал под затвором. Канал существует в легированном полупроводнике в промежутке между затвором и нелегированной подложкой, в которой нет носителей заряда, и она не может проводить ток. Преимущественно под затвором существует область обеднения, в которой тоже нет носителей заряда благодаря образованию между легированным полупроводником и металлическим затвором контакта Шоттки. Таким образом ширина канала ограничена пространством между подложкой и областью обеднения. Приложенное к затвору напряжение увеличивает или уменьшает ширину области обеднения и, тем самым, ширину канала, контролируя ток.

2.1 Схемы включения транзистора

Для усиления электрического сигнала в цепь транзистора необходимо включить два источника – входного сигнала и питания . Поскольку транзистор имеет три вывода (эмиттер, база, коллектор), а два источника питания имеют четыре вывода, то обязательно один из выводов транзистора будет общим для обоих источников, т. е. одновременно будет принадлежать и входной цепи и выходной. По этому признаку различают три возможных схемы включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

2.1.1 Схема с общей базой

Основные параметры, характеризующие эту схему включения получим следующим образом:

1. Коэффициент передачи по току:

.

(1.1)

2. Входное сопротивление:

.

(1.2)

Из (1.2) следует, что входное сопротивление транзистора, включенного в схему с общей базой, очень невелико и определяется, в основном, сопротивлением эмиттерного p-n-перехода в прямом направлении. На практике оно составляет единицы – десятки . Это следует отнести к недостаткам усилительного каскада, так как приводит к нагружению источника входного сигнала.

3. Коэффициент передачи по напряжению:

.

(1.3)

Коэффициент передачи по напряжению может быть достаточно большим (десятки – сотни единиц), так как определяется, в основном, соотношением между сопротивлением нагрузки и входным сопротивлением.

4. Коэффициент передачи по мощности:

.

(1.4)

Для реальных схем коэффициент передачи по мощности равняется десятки – сотни единиц.

2.1.2 Схема с общим эмиттером

В этой схеме, по-прежнему источник входного сигнала включен в прямом направлении по отношению к эмиттерному переходу, а источник питания включен в обратном направлении по отношению к коллекторному переходу, и в прямом по отношению к эмиттерному. Под действием источника входного сигнала в базовой цепи протекает ток ; происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую; часть из них под действием поля коллекторного перехода перебрасывается в коллекторную область, образуя, таким образом, ток в цепи коллектора , который протекает под действием источника питания через эмиттер и базу. Поэтому:

.

(1.5)

Входным током является ток базы , а выходным – ток коллектора

Выходным напряжением является падение напряжения на сопротивлении нагрузки . Основные параметры, характеризующие эту схему включения определим из выражений:

1. Коэффициент усиления по току :

,

(1.6)

поделив в этом выражении числитель и знаменатель дроби на ток эмиттера , получим:

.

(1.7)

Из (1.7) видно, что в схеме с общим эмиттером коэффициент передачи по току достаточно большой, так как – величина, близкая к единице, и составляет десятки – сотни единиц.

2. Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером:

,

(1.8)

поделив в этом выражении числитель и знаменатель на ток эмиттера , получим:

.

(1.9)

Отсюда следует, что: , т. е. по этому параметру схема с общим эмиттером значительно превосходит схему с общей базой. Для схемы с общим эмиттером входное сопротивление лежит в диапазоне сотни – единицы .

3. Коэффициент передачи по напряжению:

.

(1.10)

Подставляя сюда из (1.8), получим:

,

(1.11)

т. е. коэффициент передачи по напряжению в этой схеме точно такой же, как и в схеме с общей базой – и составляет десятки – сотни единиц.

4. Коэффициент передачи по мощности:

.

(1.12)

Что значительно больше, чем в схеме с общей базой (сотни – десятки тысяч единиц).

2.1.3 Схема с общим коллектором

Исходя из принятых отличительных признаков схема включения транзистора с общим коллектором должна иметь вид вышеприведенной схемы. Однако в этом случае транзистор оказывается в инверсном включении, что нежелательно из-за ряда особенностей, отмеченных выше. Поэтому в схеме (а) просто механически меняют местами выводы эмиттера и коллектора и получают нормальное включение транзистора (б). В этой схеме сопротивление нагрузки включено во входную цепь; входным током является ток базы ; выходным током является ток эмиттера .

Основные параметры этой схемы следующие:

1. Коэффициент усиления по току:

.

(1.13)

Поделив числитель и знаменатель этой дроби на ток эмиттера , получим:

,

(1.14)

т. е. коэффициент передачи по току в схеме с общим коллектором почти такой же, как в схеме с общим эмиттером:

.

2. Коэффициент усиления по напряжению:

.

(1.15)

Преобразуем это выражение с учетом выражений (1.14):

.

(1.16)

Поскольку представляет собой очень малую величину, то можно считать, что , т. е. усиления по напряжению в этой схеме нет.

3. Коэффициент усиления по мощности:

,

(1.17)

на практике он составляет десятки – сотни единиц.

Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, потому что, во-первых, нагрузка включена здесь в цепь эмиттера, а во-вторых, выходное напряжение в точности повторяет входное и по величине ( ) и по фазе.

Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности из всех схем.

Схема с общей базой хоть и имеет меньшее усиление по мощности и имеет меньшее входное сопротивление, все же ее иногда применяют на практике, т. к. она имеет лучшие температурные свойства.

Схему с общим коллектором очень часто применяют в качестве входного каскада усиления из-за его высокого входного сопротивления и способности не нагружать источник входного сигнала.

В отличие от схемы с общей базой схема с общим эмиттером наряду с усилением по напряжению даёт также усиление по току. Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, усиливает ток базы в десятки сотни раз. Усиление по напряжению в данной схеме остается таким же, как в схеме с общей базой. Поэтому усиление по мощности в схеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой.

Схема с общим эмиттером имеет более приемлемые значения входного и выходного сопротивлений входное больше, а выходное сопротивление меньше, чем в схеме с общей базой.

Благодаря указанным преимуществам схема с общим эмиттером находит наибольшее применение на практике.

Схема с общей базой хоть и имеет меньшее усиление по мощности и имеет меньшее входное сопротивление, все же ее иногда применяют на практике, т. к. она имеет лучшие температурные свойства.

Схема с общим коллектором дает усиление по току и по мощности, но не дает усиления по напряжению.

Схему с общим коллектором очень часто применяют в качестве входного каскада усиления из-за его высокого входного сопротивления и способности не нагружать источник входного сигнала, а также данная схема имеет наименьшее выходное сопротивление.