Транзистора типа рnр

Эмиттер (Э) – это область с высокой концентрацией положительных носителей заряда-дырок, база (Б) - тонкая область между эмиттером и коллектором (К). Переход, который образуется на границе областей эмиттер-база, называют эмиттерным, а на границе база-коллектор – коллекторным. Площадь коллекторного перехода в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Классификация БТ производится по материалу полупроводника (германиевые, кремниевые, на основе арсенида галлия), по порядку следования областей (рпр и прп – транзисторы), по механизму движения неосновных носителей заряда в базе (дрейфовые и диффузионные), по мощности (малой, средней и большой) и по частоте (низкой, средней, высокой и сверхвысокой частоты).

Принцип действия транзистора рассмотрим на примере БТ рпр типа. С приложением к эмиттерно - базовому переходу прямого напряжения Uэ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Ввиду того, что эмиттер легирован много сильнее базы, поток инжектированных дырок будет намного превышать поток электронов. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться к коллекторному переходу и почти все дырки (за исключением успевших рекомбинировать в тонком базовом промежутке) достигнут коллектора. Возникающий при этом коллекторный ток Iк лишь немного меньше тока эмиттера Iэ. Поскольку дырки в области базы являются неосновными носителями заряда часто говорят, транзистор работает на неосновных носителях заряда, кроме того, наличие двух источников смещения переходов объясняет происхождение термина «биполярный». Т.к. коллекторный переход смещён в обратном направлении, то его сопротивление на несколько порядков выше сопротивления эмиттерного перехода. При включении в цепь коллектора нагрузочного сопротивления Rн относительно малое изменение напряжения на эмиттере будет вызывать большое изменение напряжения на сопротивлении нагрузки. Таким образом, в результате различия входного и выходного напряжений транзистор даёт усиление по мощности. В зависимости от сочетаний величин и полярности напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах транзистор может работать в области отсечки, активной области и области насыщения. Область отсечки характеризуется обратным смещением на обоих переходах, активная область – прямым смещением на одном переходе и обратным на другом; область насыщения – прямым смещением на обоих переходах. Кроме того, при различном сочетании напряжений, транзистор может работать в прямом (нормальном) и в обратном (инверсном) включениях. В последнем случае эмиттер служит коллектором, а коллектор – эмиттером. В режиме усиления при малых сигналах транзистор работает только в активной области, а при больших сигналах – в области отсечки и в активной области. В режиме переключения транзистор работает во всех трёх областях – активной, отсечки и насыщения.

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) рис.18

Рис. 18. Основные схемы включения транзистора

а) ОБ; б) ОЭ; в) ОК.

Для схемы с ОБ входной ток – Iэ, а выходной – Iк. В схеме с ОЭ входным током является ток базы, выходным – Iк, а в схеме с ОК входной ток – ток базы, а выходной – Iэ. Принцип работы транзистора для всех схем включения одинаков.

Статические характеристики транзистора представляют собой семейство входных и выходных характеристик транзистора, снятых при столь медленном изменении тока и напряжения, при котором можно пренебречь инерционностью прибора. Статические характеристики имеют различный вид для различных схем включения транзистора. На рис. 19 приведены семейства входных (Iэ = f(Uэ) при Uк = const) и выходных характеристик (Iк = f(Uк) при Iэ = const) транзистора, включённого по схеме с общей базой.

Рис.19. Семейства входных (а) и

выходных (б) характеристик транзистора,

включенного по схеме с ОБ (pnp тип)

а) б)

На семействе выходных характеристик выделяют три области: I – активная область усиления транзистора; II – область отсечки; III – область насыщения. Реальные выходные характеристики отличаются от теоретических тем, что при увеличении Uк наблюдается рост Iк. Это объясняется главным образом сужением базы при расширении коллекторного перехода под действием напряжения (Uк).Кроме того, через коллекторный переход протекает тепловой ток (Iкбо) связанный с наличием неосновных носителей в области базы и коллектора, концентрация которых увеличивается примерно в два раза при повышении температуры коллекторного перехода на каждые 10⁰С за счет термогенерации. Тепловой ток коллекторного перехода влияет на аддитивную погрешность транзисторной усилительной схемы и это влияние необходимо учитывать при проектировании усилительных схем, работающих в широком температурном диапазоне.

В показанных на рис.18 схемах включения транзисторов источники постоянных напряжений (Е) создают начальные токи в выводах транзистора (токи покоя), необходимые для обеспечения его работы в линейной области входных и выходных характеристик, источники переменных напряжений (U) создают знакопеременные приращения начальных токов, при этом, эти приращения в усилительных схемах не должны приводить к нелинейным искажениям , т.е. в этом смысле должны быть «малыми». В отличие от начального, режим работы с «малыми» сигналами называют рабочим (иногда динамическим) или режимом класса «А», этот режим используется в линейных усилителях. Если в начальном режиме рабочая точка транзистора находится на границе области отсечки (коллекторный ток может изменяться только в сторону увеличения), то говорят, что транзистор работает в классе «В», промежуточный режим называется классом «АВ». Разновидностью класса «В» является режим класса «С», когда на выходе воспроизводится лишь часть положительной полуволны входного сигнала, наконец, в режиме класса «Д» рабочая точка находится либо на границе области насыщения, либо на границе области отсечки (ключевой режим).Основными параметрами транзистора являются коэффициенты передачи токов:

• α =Iк/Iэ -коэффициент передачи эмиттерного тока в коллектор, меньше единицы за счёт рекомбинации части носителей в базе (базового тока), примерный диапазон значений: 0,9 – 0,99 в зависимости от типа транзистора,

• β = Iк/Iб - коэффициент передачи базового тока в коллектор, примерный диапазон значений 10 – 1000 в зависимости от типа транзистора,

Поскольку из принципа работы транзистора следует, что:Iэ = Iк +Iб, то легко показать взаимосвязь указанных коэффициентов: α = β/( β +1), β = α/(1- α),

1- α =1/(1+ β), кроме того очевидно, что Iэ/Iб = β +1.

Величины указанных коэффициентов даже в пределах одной группы транзисторов зависят от технологического разброса, температуры окружающей среды, частоты сигнала, величины коллекторного тока, обычно в расчетах используются средние значения с последующей корректировкой схемотехники с целью уменьшения погрешностей.

Условные графические обозначения транзисторов двух основных типов показаны на рис.20 , в схемах УГО сопровождается буквенным обозначением транзистора «VT», в перечне элементов к электрической принципиальной схеме буквами «КТ»,например, КТ315.

С целью увеличения коэффициента усиления базового тока довольно часто применяется так называемый составной транзистор (схема Дарлингтона),показанный на рис.21

И з приведенной схемы вытекает ряд очевид- ных соотношений: Iк=Iвых=Iк1+Iк2 Iк1=Iб1*β1 Iк2=Iэ1* β2=Iб1*( β1+1)* β2 Iк1=Iб1*( β1+ β2+ β1* β2) Кi=Iвых/Iвх=( β1+ β2+ β1* β2)≈ β1* β2, здесь Кi-результирующий коэффициент усиления входного тока много больший такового для одного из транзисторов Рис.21

Схема Дарлингтона

В расчетах электрических схем с транзисторами используют эквивалентные схемы замещения транзистора двух типов: физические, основанные на физической модели транзистора и формализованные, основанные на замене транзистора активным 4^х-полюсником.Следует отметить, что схемы замещения составляются только для переменных составляющих токов и напряжений, действующих в транзисторе, т.е. для рабочего режима, при этом имеются в виду малые сигналы в смысле указанном выше. На рис.22 приведена для примера простейшая физическая эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме ОЭ, источники постоянного напряжения считаются закороченными по переменному току и на схеме не показываются (действительно, источники питания электронных схем содержат на выходе фильтрующие конденсаторы большой ёмкости, реактивное сопротивление которых по переменному току весьма мало).

Рис.22

Физическая схема замещения транзистора

в схеме с общим эмиттером

rб – сопротивление области базы,

rэ – ­­­­ сопротивление базо – эмиттерного перехода ,

rк* = rк/ (+1) – сопротивление коллекторного перехода для схемы ОЭ,

rк то же для схемы ОБ,

 iб – эквивалентный генератор коллекторного тока,

Uвх = Uбэ , Uвых = U кэ - переменные входное и выходное напряжения,

iб, iэ, iк – переменные токи в выводах транзистора

Пользуясь приведенной схемой можно найти ряд параметров транзистора:

приведенное уравнение справедливо, поскольку очевидно, что rк* rб, rэ и ответвлением входного тока в выходную цепь можно пренебречь. Коэффициент передачи базового тока в коллектор в данном случае равен:

Пользуясь теоремой об эквивалентном генераторе, можно найти выходное сопротивление:

Достоинством данной эквивалентной схемы является её наглядность, т.к.она отражает внутреннюю структуру транзистора, однако, практическое измерение приведенных на схеме параметров затруднительно. Этот недостаток восполняется при использовании эквивалентной схемы замещения формализованного типа. Приведем пример замещения транзистора активным 4^х-полюсником (рис.23)

Рис.23

Схема замещения

4^х-полюсником

Для транзисторов чаще всего используются h-параметры,наиболее удобные для измерений.Система уравнений,связывающая напряжения и токи с h-параметрами имеет вид:

Физический смысл h-параметров: h₁₁ = u₁/i₁ – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе; h₁₂ = u₁/u₂ - коэффициент обратной связи по напряжению; h₂₁ = i₂/i₁- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе; h₂₂ = i₂/u₂ - выходная проводимость при холостом ходе на входе. Таким образом, очевидна методика измерения h-параметров, для различных схем включения транзисторов (ОБ,ОЭ,ОК) существуют формулы,связывающие h-параметры с параметрами физической модели транзистора, например,для рассматриваемого случая очевидны соотношения:

Полевые транзисторы представляют собой класс полупроводниковых приборов, в которых величина выходного тока изменяется под действием электрического по- ля ,создаваемого входным напряжением, благодаря чему полевые транзисторы имеют очень высокое (1-10МОМ) входное сопротивление. Указанное обстоятельство является главным достоинством этих приборов, что подчёркивается в их названии. Различают два подкласса полевых транзисторов: с управляющим p-n переходом и с изолированным затвором со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структура).

В полевых транзисторах первого типа управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к входному электроду. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом состоит из тонкой пластинки полупроводникового материала с одним р-п переходом в центральной части и с невыпрямляющими контактами по краям (рис. 24).

Рис. 24 Полевой транзистор с управляющим

p-n переходом

Работа этих транзисторов основана на модуляции эффективного сечения канала, которую осуществляют изменением толщины запирающего слоя обратно смещённого р-п перехода. Область, от которой начинают движение основные носители называют истоком, а область, к которой движутся основные носители – стоком. Область, используемая для управления током, протекающим через канал, называют затвором. Источник Е₁ создаёт отрицательное напряжение на затворе. Ток, протекающий через канал Iс можно модулировать переменным входным напряжением. Постоянное отрицательное напряжение, при котором токопроводящий канал окажется перекрытым, называют пороговым или напряжением отсечки. К параметрам, характеризующим максимально допустимые режимы, относятся максимально допустимое напряжение между стоком и истоком, между затвором и истоком и максимально допустимая мощность рассеивания в транзисторе. На рис.25 приведены примерные выходные характеристики транзистора этого типа:

Рис.25

Семейство выходных характеристик

полевого транзистора с n-каналом и

p - n переходом

В качестве основного параметра полевого транзистора используется крутизна характеристики Iс =f(Uзи) в пологой области семейства выходных характеристик:

S = dIс/dUзи при Uси = Const.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (ПТИЗ^ы) бывают двух типов: с встроенным каналом и с индуцируемым каналом, рассмотрим их физические модели (рис.26)

Рис. 26 Физические модели МДП полевых транзисторов

Семейства выходных характеристик указанных транзисторов приведены на рис.27.

Рис.27

Выходные характеристики МДП полевых транзисторов

Из характеристик транзистора с встроенным каналом следует, что он может работать с обеднением канала носителями тока, когда входное напряжение положительно и дырки оттесняются вглубь кристалла ,поскольку заряды пластин конденсатора, образованного металлом затвора , диэлектрическим «зазором» и полупроводником должны быть одинаковы и противоположны по знаку. Кроме того, указанный транзистор может работать и с обогащением канала при отрицательном значении входного напряжения по тем же причинам. Транзистор с индуцируемым каналом, как это следует из модели и характеристик, может работать только в режиме обогащения канала. Основным параметром МДП транзисторов также является приведенный выше коэффициент «S».

Условные графические обозначения полевых транзисторов разных типов приведены на рис.28.

В транзисторах с изолированным затвором как правило делается вывод от подложки (П), который может быть использован в некоторых случаях как второй затвор, чаще всего он накоротко соединяется с истоком. В схемах полевые транзисторы обозначаются как и биполярные буквами «VT» , в перечнях элементов буквами «КП» и числом, кодирующим свойства данного типа транзистора, например, КП 720 - мощный полевой транзистор с индуцируемым каналом n-типа.

Элементы индикации (ЭИ) предназначены для преобразования электрических сигналов в видимые, удобные для визуального наблюдения. Классификация ЭИ приведена на рис. 29, из которой видно, что в основе классификации элементов индикации устройств отображения информации (УОИ) лежит многообразие физических принципов их работы и областей применения. По принципу светоотдачи они разделяются на активные и пассивные: активные ЭИ характеризуются генерацией фотонов, а пассивные – тем, что управляют излучением внешнего источника путем модуляции таких параметров, как отражение, поглощение, рассеяние или поляризация.

Рис.29. Классификация ЭИ

К основным параметрам ЭИ относятся яркость, контрастность, размеры знакоместа, угол обзора, информационная емкость, напряжение питания и потребляемый ток.

Широкое распространение в технике отображения информации получили электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). В настоящее время разработаны их новые типы, работающие в качестве специальных индикаторов-дисплеев или экранных пультов.

Светоизлучающие диоды (СИД) представляют собой класс твёрдотельных приборов, в которых электрическая энергия превращается непосредственно в световую. По своим электрическим характеристикам СИД совместимы с низковольтными транзисторами и ИС, принцип их работы рассмотрен выше.

Промышленностью освоен широкий спектр вакуумных люминесцентных индикаторов (ВЛИ). Достоинство ВЛИ – сопрягаемость с микроэлектроникой, технологическое совмещение на одной плате индикатора со схемами управления, высокая яркость свечения и большая долговечность. С помощью ВЛИ можно отобразить информацию в виде букв, символов, получая практически любые размеры информационного поля. Принцип работы основан на возбуждении зерен люминофора сфокусированным электронным пучком.

Достоинство газоразрядных ЭИ – малое потребление энергии, высокая яркость и надёжность, а также возможность использования в плоскостных конструкциях. Эти ЭИ являются самыми многочисленными и распространёнными среди активных элементов индикации. Перспективными являются газоразрядные индикаторные панели (ГИП), которые начинают конкурировать с ЭЛТ, так как имеют плоскую конструкцию, высокую яркость и стабильность изображения, а схемы управления полностью построены на цифровой логике. Принцип работы основан на свечении инертных газов в электрическом поле.

Достоинством ЭИ с использованием волоконной оптики является высокая светособирательная способность, возможность изменения масштаба передаваемого изображения и увеличения интенсивности светового потока. Для отображения десятичных цифр применяют световоды с цифрами от 0 до 9, которые укладываются знаковыми торцами и склеиваются. Необходимая цифра отображается при включении на соответствующем световоде источника света.

Успехи в лазерной технике создали предпосылки для разработки систем отображения информации с помощью лучей лазера, которые с успехом заменили электронный луч.

Среди пассивных ЭИ широко известны электромагнитные индикаторы, принцип действия которых основан на модулировании внешнего рассеянного освещения, падающего на информационное табло. Основным элементом такого индикатора является подвижный элемент-шторка, на одной стороне которого нанесено светопоглощающее покрытие, на другой - светоотражающее. При изменении вектора напряжённости магнитного поля на 180°, шторка поворачивается в одну или другую сторону к внешнему освещению. Достоинство таких ЭИ - простота конструкции, высокая контрастность. В последнее время широкое распространение находят жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ), которые конкурируют во многих случаях с активными светоизлучающими диодами. Принцип их работы заключается в изменении ориентации молекул жидкого кристалла (высокомолекулярное вещество, обладающее как свойствами жидкости: вязкость,текучесть,так и свойствами кристалла - строго определенное расположение молекулярных цепочек) под действием внешнего электрического поля в результате чего изменяется светопоглощающая способность. К перспективной группе пассивных элементов индикации относятся электрохромные ячейки конденсаторного типа. Принцип действия элементов такого типа основан на явлении окрашивания (потемнения) тонких (0,3-1,5) мкм слоев электрохромного вещества вследствие инжекции в него электронов из электродов под влиянием электрического напряжения до 10 В. Электрохромные ячейки обладают эффектом памяти. Быстродействие их составляет десятки миллисекунд. Недостатками являются малая долговечность и температурная нестабильность..

Электрогальванопластические ЭИ представляют собой миниатюрную электрическую герметизированную ванночку, в которой при пропускании тока металл катода осаждается на прозрачном аноде, вследствие чего ячейка темнеет и теряет окраску электролита. Скорость изменения цвета составляет доли секунды, но сама ячейка обладает эффектом устойчивой памяти.

Источники электропитания электронных устройств подразделяются на первичные(аккумуляторы ,гальванические элементы , сетевое напряжение) и вторичные, преобразующие выходные параметры первичных источников к виду ,необходимому для данных конкретных целей. Однако в любом случае источники электропитания могут быть источниками тока или напряжения. Следует отметить, что один и тот же источник может быть как тем ,так и другим в зависимости от конкретной организации нагрузочной цепи.

Ч асто на практике необходимо реализовать источник напряжения, когда напряжение на нагрузке не зависит в определённых пределах от величины самой нагрузки, например, при согласовании внутреннего сопротивления источника сигнала со входным сопротивлением усилителя. Простейшая электрическая цепь в данном случае будет выглядеть как показано на рис.30.

Рис.30

Электрическая цепь с источником и

нагрузкой

Е –э.д.с. источника сигнала,

Rи –внутреннее сопротивление источника,

Rн–эквивалентное сопротивление нагрузки,

Iн – ток нагрузки,

Uвых – выходное напряжение.

Очевидно, что режим генератора напряжения будет тем строже, чем ближе к 1 коэффициент передачи данной схемы,т.е.

Для той же схемы режим генератора тока ( ток не зависит от Rн) можно организовать, если обеспечить схемным путём неравенство Rи » Rн, действительно: