2. Транзисторы

Определение и классификация транзисторов. Транзистором называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три и более внеш­них выводов, предназначенный для усиления или генерации электри­ческих сигналов, а также для коммутации электрических цепей.

В зависимости от назначения и свойств транзисторы классифи­цируются на ряд групп.

• По мощности рассеяния (допустимое значение мощности, рассе­иваемой транзистором без применения дополнительного теплоотвода) различают транзисторы малой, средней и большой мощности.

• По диапазону частот (в зависимости от значения предельно допустимой рабочей частоты) различают низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные транзисторы.

• Особую группу транзисторов составляют лавинные, полевые и однопереходные.

2.1. Биполярные транзисторы

Широко распространенные транзисторы с двумя р-n-переходами носят название биполярных. Этот термин связан с наличием в тран­зисторах двух различных типов носителей зарядов - электронов и дырок. Транзисторы обычно изготовляют из германия или кремния. Конструктивно биполярный транзистор представляет собой пластину монокристалла полупроводника с электропроводностью р- или n-типа, по обеим сторонам которой вплавлены (или внесены другим образом) полупроводники, обладающие другим типом электропровод­ности. На границе раздела областей с разным типом электропровод­ности образуются р-n- или n-р-переходы. Транзистор укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметизированный металлический или пластмассовый корпус. Через дно корпуса проходят выводы, со­единяющие зоны транзистора с внешней цепью. Возможны две струк­туры с различным чередованием областей n-р-n или р-n-р.

Схематическое устройство и условное графическое обозначение биполярных транзисторов приведено на рис.2.1, классификация биполярных транзисторов показана в табл.2.1.

Убиполярных транзисторов центральный слой называютбазой. Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (электро­нов или дырок), который главным образом и создает ток прибора, называют эмиттером, а наружный слой, принимающий заряды, поступающие от эмиттера, - коллектором.

На эмиттерный переход напряжение подается в прямом направ­лении, поэтому даже при небольших напряжениях через него прохо­дят значительные то-

	Таблица 2.1
Частотные группы	Группы по мощности
Низкочастотные fгр ≤ 3 МГц	Малой мощности Pmax ≤ 0,3 Вт
Среднечастотные 3 МГц < fгр ≤ 30 МГц	Средней мощности 0,3 Вт < Pmax ≤ 1,5 Вт
Высокочастотные 30 МГц < fгр ≤ 300 МГц	Большой мощности Pmax > 1,5 Вт
Сверхвысокочастотные fгр ≥ 300 МГц

ки. На коллекторный переход напряжение пода­ется в обратном направлении, оно обычно в несколько раз выше на­пряжения эмиттерного перехода.

Принцип работы биполярного транзистора. Рассмотрим работу транзистора типа р-n-р (n-р-n транзистор работает аналогично). Между коллектором и базой транзистора приложено отрицательное напряжение. Пока эмиттерный ток равен нулю (I_Э =0), ток в тран­зисторе идет только через коллекторный переход в обратном на­правлении (рис.2.2,а). Величина этого тока определяется концен­трацией неосновных носителей заряда в коллекторе и базе и при хорошем качестве полупроводников мала.

При подаче положительного напряжения на эмиттер возникает определенный эмиттерный ток I_Э (рис.2.2,в). Так как эмиттерный переход находится в прямом включении, дырки проходят в область базы. Там они частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Однако база обычно выполняется из полупроводника n-типа с большим удельным сопротивлением (с малым содержанием донорной примеси), поэтому концентрация свободных электронов в базе низ­кая и лишь немногие дырки, попавшие в базу, рекомбинируют с ее электронами. Вместо исчезнувших при рекомбинации электронов в базу из внешней цепи приходят новые электроны, образующие базовый ток I_Б. Большинство дырок, являясь неосновными носителями за­ряда для базовой области, под, действием поля коллектора проходят коллекторный переход, образуя коллекторный ток I_К .

Связь между приращениями коллекторного и эмиттерного токов характеризуется коэффициентом передачи тока:

при U_К = const.

Коэффициент передачи тока α всегда меньше единицы.

Схемы включения и статические вольт-амперные характеристики транзистора. Транзистор включается в электрическую цепь таким образом, что один из его электродов является входным, второй - вы­ходным, а третий общим относительно входа и выхода. В зависимости от этого различают три способа включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). При любом способе включения, в цепь входного электрода включают источник входного сигнала, а в цепь выходного электрода - на­грузку. Схемы включения транзисторов показаны на рис.2.3 : а - с общей базой; в - с общим эмиттером; с - с общим коллектором. Па практике обычно используют входные и выходные вольт-амперные характеристики транзисторов.

При включении транзистора по схеме ОБ статические вольт-амперные характеристики (ВАХ), описываются зависимостями

I_K = f(U_K)| I_Э=const; I_Э = f(U_Э)| U_K=const.

Кривые семейства выходных ВАХ (рис.2.4,а), определяемые из предыдущей зависимости, практически параллельны оси напряжений. На­личие небольшого наклона объясняется влиянием эффекта Эрли. В области напряжений, близких к напряжению электрического пробоя наблюдается возрастание коллекторного тока, обусловленное увели­чением носителей заряда вследствие их лавинного размножения.

При повышении температуры выходные ВАХ смещаются в область больших токов, что обусловлено возрастанием тока I_К0.

Кривые семейства входных ВАХ (рис.2.4,в) образуют плотный пучок, что объясняется слабым влиянием коллекторного напряжения на ток эмиттера. Поэтому в справочниках приводят обычно одну ветвь ВАХ, снятую при U_К = 0 или U_К = -5В.

При включении транзистора по схеме ОЭ статические ВАХ опи­сываются зависимостями

I_K = f(U_K)| I_Б=const; I_Б = f(U_Б)| U_K=const.

Выходные ВАХ схемы ОЭ имеют больший наклон по сравнению с ВАХ схемы ОБ, что объясняется более сильным влиянием коллектор­ного напряжения на коэффициент передачи тока базы. По этой же причине резкое возрастание тока коллектора в предпробойной области происходит при более низких коллекторных напряжениях, чем в схеме ОБ. Следовательно, схема ОЭ характеризуется меньшим зна­чением предельно допустимого коллекторного напряжения. Влияние температуры на выходные ВАХ схемы ОЭ сказывается сильнее, чем на ВАХ схемы ОБ.

Входные ВАХ схемы ОЭ (рис.2.5,в) также расположены близко друг от друга и поэтому в справочниках приводят только одну ВАХ для U_К = 0 или U_К = -5 В. В отличие от схемы ОБ входные ВАХ схемы ОЭ более линейны.

ВАХ схемы ОК во многом сходны с ВАХ схемы ОЭ, так как в обеих схемах входным является ток базы, а выходные токи отлича­ются незначительно. Поэтому в справочниках ВАК схемы ОК обычно не приводятся. Для практических расчетов вместо них используют выходные ВАХ схемы ОЭ, заменяя ток коллектора на ток эмиттера. Входные ВАХ ( схемы ОК совпадают по форме с входными ВАХ схемы ОЭ, но сдвинуты по оси напряжений вправо на величину падения напряже­ния на коллекторном р-n-переходе.

Параметры транзистора как активного линейного четырехполюс­ника. Транзистор является нелинейным элементом, так как его ха­рактеристики определяются нелинейными зависимостями между токами и напряжениями. Однако, если входной сигнал по амплитуде меньше по сравнению с постоянным напряжением, соответствующим точке по­коя, то в некоторой области статических ВАХ связь между токами и напряжениями можно считать линейной с допустимой для практического использования степенью приближения. В этом режиме, называемом режимом малого сигнала, транзистор можно представить в виде четырехполюсника, основные свойства которого соответствуют общей тео­рии электрических цепей. При этом транзистор рассматривается как линейный элемент.

Связь между входными (U₁, I₁) и выходными ( U₂, I₂) переменными четырехполюсника можно описать шестью системами уравнений первого порядка. Наиболее широко применяется система урав­нений, в которой независимыми величинами являются входной ток I₁ и выходное напряжение U₂ :

U₁ = f(I₁, U₂); I₂ = f(I₁, U₂).

Если при малых изменениях независимых величин приращения за­висимых величин разложить в ряд, Тейлора и пренебречь членам вто­рого и высших порядков, то предыдущие уравнения можно представить в следующем виде:

При замене приращений амплитудными значениями токов и напряжений и введении новых обозначений для частных производных систе­ма уравнений преобразуется к следующей форме:

U₁ = H₁₁I₁ + H₁₂U₂;

I₂ = H₂₁I₁ + H₂₂U₂.

Коэффициенты Н при независимых переменных имеют определен­ный физический смысл:

U2=0

- входное сопротивление при коротком замыка­нии на выходе четырехполюсника;

I1=0

- коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе четырехполюсника;

U2=0

- коэффициент передачи тока при коротком замыка­нии на выходе четырехполюсника;

I2=0

- выходная проводимость при холостом ходе на входе четырехполюсника;

Совокупность коэффициентов Н носит название системы H -параметров. Достоинство системы Н - параметров - сравнительная простота непосредственного измерения коэффициентов Н.

В качестве примера в табл.2.2 дан порядок значений Н - па­раметров для схем ОЭ и ОБ

Таблица 2.2

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ
H11	Сотни ом - единицы килоом	Десятки Ом
H12	10-3 - 10-4	10-3 - 10-4
Н21	Десятки	0,950 - 0,998
Н22	10-3 - 10-4 См	10-4 - 10-5 См

Н-параметры могут быть определены графически по статичес­ким входным и выходным ВАХ транзистора.