книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

дельно допустимой температурой коллекторного перехода Л<макс = = (Т4—To.)/Ri, где Т1— температура коллекторного перехода; Т2 — температура окружающей среды; У?т — тепловое сопротивление'между коллекторным переходом и окружающей средой, которое за­ висит от конструкции и материала транзистора. Величина У?т опре­ деляется суммой тепловых сопротивлений между переходом и кор­ пусом прибора, между корпусом и теплоотводом (при наличии по­ следнего) и между теплоотводом и окружающей средой. Последнее можно уменьшить применением принудительного охлаждения струей воздуха, водой или маслом, а также использованием ра­ диаторов.

Мощные транзисторы работают при высоких уровнях инжек­ ции. Условием высокого уровня инжекции является равенство кон­ центраций неосновных неравновесных и основных равновесных но­ сителей. Вследствие высокой концентрации инжектированных в базу неравновесных неосновных носителей (дырок в транзисторе типа р-п-р) в ней создается электрическое поле, под действием ко­ торого, во-первых, увеличивается удельная проводимость области1 базы, а следовательно, уменьшается коэффициент инжекции у щ во-вторых, скорость движения дырок к коллекторному переходу, что повышает коэффициент переноса ф. При больших токах / 0 в схеме ОБ у существенно уменьшается, что ведет к уменьшению' коэффициента передачи тока а.

Другой особенностью работы мощных транзисторов является

рамма напряжений

вод базы — кольцеобразный, ток инжекции электронов в централь­ ном участке эмиттерного перехода проходит через базу к ее выво­ ду наиболее длинный путь, на котором создается наибольшее па­ дение напряжения U кп' (рис. 2.486) . Следовательно, напряжение

170

Uаб получается наименьшим U"iin на центральном участке перехо­

да, а здесь плотность эмиттерного тока оказывается также наи­ меньшей; по мере удаления от центра к периферии плотность эмит­ терного тока будет резко возрастать, так как она находится в экс­ поненциальной зависимости от напряжения UaG. Таким образом, ток вытесняется к периметру эмиттера и перегружает его (вслед­ ствие этого эмиттер может перегреваться). Центральная же часть эмиттера оказывается недогруженной, т. е. его площадь плохо ис­ пользуется. -В результате коэффициент передачи тока и мощность уменьшаются.

Для уменьшения влияния неравномерного распределения тока стремятся получить высокое отношение периметра эмиттера к его площади. Для этого эмиттер выполняют в виде кольца или при­ бегают к многоэмиттерным структурам линейчатого или гребен­ чатого типов (рис. 2.49). В таких транзисторных структурах эмит­ тер расчленен на большое число (десятки и даже сотни) отдель­ ных эмиттерных структур, соединенных параллельно. Активная область базы находится под этими эмиттерными структурами. Пас­ сивная часть базы, лежащая между ними, подвергается сильному легированию с целью значительного снижения ее объемного со­ противления.

Статические характеристики

Статические характеристики транзистора отражают зависимость между токами и напряжениями на его выходе и вхо­ де. Существуют четыре вида статических характеристик транзисто­ ра: входные, связывающие величины / и U на входе транзистора; выходные, связывающие / и U на выходе транзистора; характерис­

зависимость 1 или U на входе от I или U на выходе.

Если для расчета режима и параметров лампового усилителя при большом сигнале и работе без токов сетки достаточно иметь лишь одно семейство анодных характеристик, то для расчета тран­ зисторной цепи необходимо иметь два семейства характеристик: обычно это входные и выходные, которые являются наиболее важ­ ными характеристиками транзистора.

Из трех возможных схем включения транзисторов наиболее ши­ рокое применение получили схемы ОБ и ОЭ, поэтому в дальней­ шем ограничимся рассмотрением входных и выходных характери­ стик только этих схем. Характеристики схемы ОК .мало отлича­ ются от характеристик схемы ОЭ. Что касается характеристик пря­ мой передачи и обратной связи, то их легко построить графиче­ ским способом из семейств выходных и входныххарактеристик

171

вимся обратные коллекторные напряжения откладывать вправо по осп абсцисс, а прямые — влево. Как видно из рисунка, ток /к на значительном участке характеристик мало зависит от приложенно­ го напряжения UKc. При перемене полярности коллекторного на­ пряжения (т. е. при подаче на коллектор прямого напряжения рис.

Рис. 2.50. Семейство выходных характеристик транзисто­ ра в схеме ОБ:

а) при обратном напряжении на переходе; б) при пря­ мом напряжении на переходе

2.506) ток /к резко падает до нуля, меняет свое направление и уже при нескольких десятых долях вольта быстро растет, что может привести к выходу транзистора из строя. Такой вид характери­ стик объясняется следующим образом. При (/,<б = 0 (если прене­ бречь падением напряжения на сопротивлении базы Гц) в коллек­ торном переходе существует электрическое поле, созданное кон­ тактной разностью потенциалов 0 К. Это поле является ускоряю­ щим для дырок базовой области, которые полностью экстрагиру­ ются в область коллектора, создавая ток /І;. При подаче на кол­ лекторный переход прямого напряжения UKQ снижается высота его энергетического барьера (ниже qUK), в результате чего основные носители коллекторной области — дырки — получают возможность инжектироваться через переход в область базы, а основные носи­ тели областибазы — электроны — начинают инжектироваться в область коллектора, что приводит к резкому спаду результирую­ щего коллекторного тока до нуля, а затем — и к изменению его направления.

Равенство коллекторного тока нулю означает уравновешивание тока из коллекторной области встречным током из базовой обла­ сти. При уменьшении прямого коллекторного напряжения до нуля коллекторный ток /к быстро возрастает, а затем (при постоянном значении /э) с увеличением обратного напряжения UKa ток /к уве­ личивается мало. Это можно объяснить тем, что увеличение тол­ щины коллекторного перехода с ростом (УКб и соответственно

172

уменьшение толщины базовой области wg снижает вероятность рекомбинации дырок с электронами ів базе .и, следовательно, число дырок, экстрагируемых в коллекторную область (при постоянстве числа дырок, инжектируемых через эмпттерный переход), увели­ чивается. Другими словами, рост /к объясняется увеличением ко­ эффициента переноса ф. Если обратиться к рис. 2.51, то моіжно заметить, что с увеличением UK5 увеличивается толщина коллек-

/- у'кб; 2- и ",<6 > и'кб

торного перехода и соответственно уменьшается толщина базы на Лю,-; (эффект модуляции толщины базы). Поскольку /n = const, то

тельно возрастает /,;.

При переходе к следующей характеристике, соответствующей большему значению /э, увеличивается приток дырок к коллектор­ ному переходу и соответственно возрастает ток /і;. При /а = 0 (об­ рыв цели эмиттѳра) коллекторный так снижается до значения /к0 Величина /ио определяется неосновными носителями базовой (ток ІкоР) и коллекторной (ток /„о») областей; при абЗхтк дырочная со­ ставляющая Iкор значительно меньше электронной составляющей /ио„, т. е. /ко~А;о?). Ток / к0 сильно зависит от температуры коллек­ тора; с повышением температуры он резко возрастает, смещая вверх семейство выходных характеристик, ибо /к = а/э+/коЭто на­ рушает стабильность работы транзистора, повышает мощность, вы­ деляемую в его коллекторном переходе, и уменьшает полезную мощность. Характеристика начального коллекторного тока /1ів представляет собой обычную характеристику р-п-перехода при приложении обратного напряжения.

173

На рис. 2.52 представлено семейство выходных характеристик транзистора типа р-п-р дли схемы ОЭ IK=f(Um) три / G = 'C o n s t . Из сравнения этих характеристик с соответствующими-, характеристи­ ками схемы ОБ ‘вытекает, что, во-первых, напряжение UK0 (рис. 2 .5 3 ), которое показывает вольтметр в коллекторной цепи транзи­ стора, уже не будет приложенным к коллекторному переходу, а представляет собой разность наш,ряжений между коллектором и эмиттером, причем С/кэ= —UKa+Uc,o, где (Убэ — напряжение, прило­ женное к эмиттерному переходу. Если £/1;э = 0, то Б/цб=£/бэ, т. е. на

коллекторном переходе будет прямое напряжение, равное по ве­ личине напряжению на эмиттерном переходе нескольким десятым вольта; при этом ток /к окажется почти равным, нулю. Обычно вы­ ходные характеристики транзистора в схеме ОЭ начинаются не­ много правее начала координат и их начальные (восходящие) участки смещаются вправо по сравнению с характеристиками тран­ зистора в схеме ОБ.

При этом увеличивается концентрация дырок р в базе у эмиттерного перехода (рис. 2.54). Все это в совокупности увеличивает гра­ диент dp/dx в базе и ток /э. Таким образом, возрастает число ды­ рок, экстрагируемых в коллекторную область. Постоянство тока

174

базы /б в данном случае определяется постоянством общего коли­ чества неосновных носителей в базе, т. е. графически постоянством площади, ограниченной в области базы кривой р = р(х). Следова­ тельно, рост тока /„ с повышением напряжения £УНЭ в схеме ОЭ объясняется уменьшением рекомбинации дырок в области базы и увеличением числа дырок, инжектированных в эту область иэ змиттера.

/ б = 0. В случае обрыва базы, т. е. при /б = 0, коллекторный ток /к= = / 'к . Этот ток значительно больше начального коллекторного то­

ка Iко в схеме ОБ,- Последнее объясняется тем, что электроны.— неосновные носители коллекторной области, экстрагированные в базу, не могут уйти через ее вывод и, скапливаясь вблизи эмиттерного перехода, создают отрицательный пространственный заряд, снижающий потенциал базы. Это уменьшает высоту энергетическо­ го барьера эмиттерного перехода, что, в свою очередь, приводит к инжекции дырок из эмиттера в базу и к возникновению коллек­ торного тока. При этом через транзистор от эмиттера к коллектору потечет начальный сквозной коллекторный ток Гк 0 = /э.

Так как /б = /э(1—а)—/ко, при / б = 0 (обрыв базы)

му во избежание режима работы при обрыве базы ее вывод реко­ мендуется подключать к схеме первым, а отключать его последнимСхемагс общим эмиттером при фиксированном значении тока базы

напряжение в схеме с общим эмиттером значительно ниже, чем в схеме с общей базой. Резкое возрастание /„• перед пробоем объяс­ няется лавинным размножением носителей в коллекторном пере­ ходе. При пробое характеристика может пойти вертикально вверх (^вых=0 ) или даже на ней может появиться участок, соответст­ вующий отрицательному выходному сопротивлению, Ток коллек­ тора оказывается больше тока эмиттера, а ток базы меняет свое направление. Наибольшее пробивное напряжение наблюдается в схеме с общей базой при закороченном входе (U3б=0).

Возможен также режим для схемы с общим эмиттером, при ко­ тором Uбо = 0 , т. е. имеет место короткое замыкание между базой и эмиттером. В этом режиме ток, созданный электронами, уходя­ щими из базы, протекая через сопротивление базы Гб, создает на нем падение напряжения, несколько снижающее высоту энергети­ ческого барьера в эмиттерном переходе. Через коллекторный пере­

175

ход при Убэ= 0 течет начальный коллекторный' ток /км, величина которого /ьіі<С/'.0, но несколько больше / к0 (при /э = 0 ).

Перейдем к рассмотрению семейств входных характеристик транзистора типа р-п-р. В схеме ОБ (рис. 2.55а) входные характе­ ристики Ia — f(Uоб) при С/„б = const исходят из начала координат. С увеличением напряжения снижается энергетический барьер в

Рис. 2.55. Входные характеристики транзистора: а) в схеме ОБ; б) в схеме ОЭ

эмиттерном переходе, что усиливает инжекцию дырок из области эмиттера в область базы и встречную инжекцию электронов, по­ этому ток /Э= /Эр+ /ал увеличивается. При постоянном токе /а с уве­ личением Uко возрастает толщина коллекторного перехода п уменьшается толщина базы на 'Лшс (рис. 2.51). Градиент концен­ трации дырок в базе dp/dx должен остаться постоянным, но для этого необходимо уменьшить концентрацию дырок р] до р\ у

эмиттерного перехода, а следовательно, и напряжение на эмиттер­ ном переходе 0 Эg, так как pl= pne\p (qü3QjkT). Таким образом, увеличение £/„б влечет за собой уменьшение Uaб, т. е. между кол­ лектором и эмиттером возникает обратная связь по напряжению; входная характеристика перемещается вверх. При UKG> 2-^3 В изменения /к настолько незначительны, что коллекторное напря­ жение практически перестает влиять на входные характеристики и они сливаются друг с другом. При UKб = 0 входная характеристи­ ка идентична обычной характеристике р-п-перехода при приложе­ нии к нему прямого напряжения.

176

поэтому результирующий ток Iв меняет свое направление; при U5э= 0 /о = /ь-о- При Пб;)>Пбэ /э(1—а)5>/,;о и ток /„ увеличивается

с ростом Ufo, так как уменьшается высота энергетического барьера в эмиттерном переходе. Характеристики иа этом участке располо­ жены очень близко друг к другу.

Зависимость входного тока /б от коллекторного напряжения Uu-j в схеме ОЭ обратна соответствующей зависимости в схеме ОБ, т. е. с повышением и кя характеристики смещаются вправо. По­ стоянство тока базы /г, означает сохранение неизменным количе­ ства неосновных носителей в базе; увеличение £/кэ приводит, вопервых, к увеличению обратного напряжения на коллекторном пе­

базе у перехода. Таким образом, в схеме ОЭ увеличение Ніга при постоянном значении /б требует увеличения Ufo.

Что касается остальных характеристик транзистора, то их легко построить по семействам входных или выходных характери­ стик. Например, для построения характеристик прямой передачи транзистора (в схеме ОБ) на графике с выходными характеристи­ ками /к — f(UKb) при / 3= const проводят ряд вертикальных линий для различных значений UKо, находят точки пересечения каждой из них со всеми характеристиками и соответствующие значения то­ ков / и / 3 при заданном значении Uua переносят на график для ха­ рактеристик прямой передачи IK=f(Ia) при П„б= const (рис. 2.56).

Аналогичным образом строят семейство характеристик обрат­ ной связи Utfi = f(UK5 ) при /3= const по графику с входными ха­ рактеристиками I0 =f(Ufo) при HK6 = const. В этом случае на по­ следнем проводят ряд горизонтальных линий, соответствующих различным значениям /g. По точкам пересечения каждой горизон­ тальной линии с характеристиками (по значениям £/а<>и UKa) мо­ жно построить одну из характеристик обратной связи Uaв = Н и кз) при /;,=const. Если задана лишь одна входная характеристика для UKб = 0, можно получить лишь одну точку характеристики С/Яр =

=f(UKб). Характеристики обратной связи для различный значений

/0 представляют собой ряд горизонтальных параллельных линий.

Для удобства все четыре семейства характеристик часто совме­ щают в одном графике. .В первом квадранте размещают выходные характеристики, во втором — характеристики прямой передачи, в третьем — входные и, наконец, в четвертом — характеристики об­ ратной связи. Такие совмещенные характеристики для схемы включения ОБ представлены на рис. 2.56.

Найдем рабочую область статических характеристик транзис­ тора, в которой обеспечивается его безопасная работа при отсут­ ствии значительных искажений (рис. 2.57). Эта область ограничи­ вается, прежде всего, предельными значениями !к „акс, Над макс и Рк макс (для схемы ОЭ), указываемыми в справочниках по полу­

177

проводниковым приборам. Пре­

коллекторного перехода, а пре­ дельная мощность Я,; макс, вы­ деляемая в коллекторном пе­ реходе, — от температуры на­ грева перехода, которая, в свою очередь, зависит от усло­ вии теплообмена транзистора с

окружающей средой. Нижняя граница рабочей области определяет­ ся величиной неуправляемого коллекторного тока /'<0, т. е. границей

области отсечки, а левая граница при малых значениях UK3 — не­ линейными искажениями, возникающими в режиме насыщения. При /к>/кмакс нелинейные искажения увеличиваются, а коэффи­ циент передачи тока ß уменьшается. Это объясняется возрастанием рекомбинации дырок в базе при усилении их инжекции через эмиттерный переход.

Системы параметров и эквивалентные схемы

Для исследования работы транзистора при малых сигналах на входе его представляют в виде линейново. активного четырехполюсника (рис. 2.58). Активным четырехполюсником на­ зывают электрическую цепь, состоящую в общем случае из пас­ сивных элементов (L, С, R) и эквивалентного генератора эдс или тока, имеющую две пары зажимов, к входным зажимам подклю­ чают источник сигнала, а к выходным — нагрузку.

Любой транзистор является нелинейной системой. Поэтому чем больше сигнал на входе, тем сильнее проявляются его нелинейные свойства и тем больше значения его параметров отличаются от тех, которые были определены при малых сигналах. Режим работы при малых сигналах практически имеет место в усилителях высо­ кой и промежуточной частоты, в предварительных каскадах уси­ ления низкой частоты и т. п. В оконечных же каскадах усилите­

178

ля низкой частоты транзистор работает при больших сигналах, и для расчетов пользоваться теорией линейного четырёхполюсника уже нельзя. В этих случаях приходится обращаться к графоана­

сопротивлений, характеристических проводимостей или безразмер­ ных величии в зависимости от выбранного метода их измерения. Эти параметры измеряются на переменном 'токе и являются диффе­ ренциальными.

Из ряда возможных систем параметров транзистора в дальней­ шем будут рассмотрены лишь три системы, получившие практиче­ ское применение. Первая из них — система Z-параметров или па­ раметров холостого хода (хх), называемая так потому, что все че­ тыре характеристические сопротивления определяются в условиях хх на входе и на выходе четырехполюсника. Здесь независимы­ ми переменными являются токи / 4 и /2, а функциями — напряже­ ния и U2. Уравнения четырехполюсника для переменных напря­ жений и токов в этом случае имеют вид:

U1 —Іі Zn -j- /а Z12

(2.51)

Ü2— А Z-іі -f- 72 Z22

В общем случае все величины, входящие в эти формулы, явля­ ются комплексными, но при работе на низких частотах можно пре­ небречь реактивными составляющими (емкостями переходов и пр.) и полагать параметры чисто активными, тогда

Опыт показывает, что диапазон низких частот, в пределах кото­ рого параметры можно считать чисто активными, доходит у плос­ костных транзисторов всего лишь до нескольких килогерц.

При измерении параметров /щ и г21 на выходе схемы устанав­ ливают режим хх по переменному току, т. е. полагают /2 = 0 ; тогда i'u = Ul/Il будет представлять собой входное сопротивление четы­ рехполюсника в режиме хх, а r2i=\U2/Ii — сопротивление прямой передачи в режиме хх, показывающее влияние изменения входного

7і = 0; тогда rl2 =Ui/I2 будет представлять собой сопротивление об­ ратной связи в режиме хх, показывающие влияние изменения вы­

179