Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Литература к курсу Электронные приборы / Акимова Электронная техника 2003.pdf

Скачиваний:

792

Добавлен:

23.03.2015

Размер:

4.92 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 448 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

торогоизготовлендиод: Г(1) — германийилиегосоединения; К(2) — кремний или его соединения; А (3) — арсенид галлия.

Второйсимвол— буква, обозначаетподклассдиода: Д— выпрямительные, высокочастотныеиимпульсныедиоды; В— варикапы; С— стабилитроны; И— туннельныедиоды; Л— светодиодыит.д.

Третий символ — цифра или буква, указывает назначение прибора или принцип действия (может отсутствовать).

Четвёртый, пятый и шестой символы составляют трёхзначное число, обозначает порядковый номер разработки (группу приборов данного типа).

Седьмой символ — буква, обозначает разновидность прибора в данной группе (указывает на отличие по параметру).

Примеры маркировки диодов:

ГД412А — германиевый (Г), диод выпрямительный (Д), порядковыйномерразработки412, разновидностьприборавданнойгруппе А. (Третий символ в обозначении прибора отсутствует).

2ДС523Г — набор (С) кремниевых (2) импульсных диодов (Д) для устройств специального назначения, порядковый номер разработки 523, разновидность прибора в данной группе Г.

Приборы, имеющие буквенный первый символ, могут работать при температурах до +60°С германиевые и до +85°С — кремниевые. Германиевые приборы с цифровым первым символом обозначения могут работать при температуре до +70°С, кремниевые соответственно до +120°С.

Для полупроводниковых приборов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

3.7. Биполярные транзисторы

Устройство и принцип действия

Полупроводниковый триодиначеназывается«транзистор», что в точном переводе двух английских слов «transfer resistor» означает «регулируемое сопротивление». В электронной аппаратуре применяют биполярные и полевые транзисторы.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода.

Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной — сплавление, диффузия, эпитаксия, что в значительной мере определяет характеристики прибора. Основной элемент транзистора— монокристаллгерманияиликремния, вкоторомсозданытрислояразличнойпроводимости. Причёмкрайниеслоиимеют одинаковую проводимость, а разделяющий их средний слой — противоположную. Для понимания работы транзистора необходимо иметь в виду следующее: область базы очень тонкая, расстояние междуэмиттернымиколлекторнымпереходаминебольшое(составляет не более 10 мкм). Для его преодоления требуется небольшая энергияносителейзаряда; концентрация атомовпримесивобласти базы во много раз меньше, чем в эмиттере.

Таким образом, транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Один из крайних слоёв называется эмиттером, а другой — коллектором. Средний слой — база; p-n переход между эмиттером и базой, называемый эмиттерным, работает на прямом токе; p-n переход между коллектором и базой называется — коллекторным, он работает на обратном токе. Можно сказать, транзистор состоит как бы из двух диодов, средний электрод которых общий. Буквы у выводов транзистора обозначают: Э — эмиттер, Б — база, К — коллектор.

Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют дырочную проводимость, а база электронную проводимость, называют транзистор типа (структуры) p-n-p. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор имеют электронную проводимость, а база дырочную проводимость, называют транзистор типа (структуры) n-p-n.

Устройство германиевого плоскостного транзистора, изготовленного сплавным способом: на пластину германия с электронной проводимостью, которая является базой, наплавляют с двух сторон кусочки акцепторного вещества, обычно индия. Вблизи границ сплавления в пластинке германия образуется два слоя с проводимостью p, представляющий собой эмиттер и коллектор транзистора. На границе полупроводников с разной проводимостью появляются p-n переходы. Пластинку помещают в кристаллодержатель, который припаивают ко дну герметизированного корпуса. Внутренние выводы эмиттера и коллектора соединяют с наружными выводами, проходящими в корпус через изолятор, вывод базы крепится непосредственно ко дну корпуса.

Транзистор типа n-p-n имеет аналогичное устройство — на пластинку германия с р проводимостью с двух сторон наплавляется

донорное вещество (обычно сурьма). В результате образуется два слоя: эмиттер и коллектор с проводимостью n.

Взависимостиотполярностинапряжений, приложенныхкэлектродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

Влинейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении,

врежиме отсечки — в обратном. В инверсном режиме коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. Кромерассмотренныхрежимоввозможенещёодинрежим, который является не рабочим, а аварийным — это режим пробоя.

Работатранзистораосновананауправлениитокамиэлектродов

взависимости от приложенных к его переходам напряжений. Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на при-

мере транзистора типа n-p-n. Если к эмиттерному переходу приложить прямое (UЭ), а к коллекторному — обратное (UЭ) напряжение, то через эмиттерный переход П1 в область базы будут инжектировать электроны, образуя эмиттерный ток транзистора IЭ (рис. 3.19). Поток электронов, обеспечивающий ток эмиттера через переход П1, показан на рис. 3.19 широкой заштрихованной стрелкой.

Часть инжектированных вобласть базы электронов рекомбинируют с основными для этой зоны носителями заряда — дырками, образуя ток базы I′Б. Другая часть инжектированных электронов засчётсобственногополяколлекторногопереходапроникаетчерезколлекторный p-n переход П2 в зону коллектора, образуя коллекторный ток I′К. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход

		IЭ	I′К
IЭ	n	p	n	IК
– Э				К+
R1				Rн
UБЭ	I′Б		IКБо	UКБ
UБЭ

+		IБ		–
+				–

Рис. 3.19. Схема распределения токов в транзисторе: IЭ — ток эмиттера; IК — ток коллектора; IБ — ток базы

(следовательно, иколлекторноготока) посравнениюспотокомдырок
через эмиттерный переход можно учесть следующим соотношением:
		I′ = αI			Э		,		(3.7)
		К
где α = 0,95—0,99 — коэффициент передачи тока эмиттера.
Череззапертыйколлекторныйпереходбудетсоздаватьсяобрат-
ный ток IКБо, образованный потоком из n в p область неосновных
для коллекторной области носителей заряда — дырок, который со-
вместно с током IК образует основной ток транзистора
I	К	= I′		+ I			КБо		(3.8)
		К
и ток в базовом выводе
I	Б	= I′	– I			КБо		.	(3.9)
		Б
Зона эмиттера имеет наибольшее из всех зон количество легиру-
ющих примесей, поэтому концентрация носителей зарядов в зоне
эмиттера наибольшая. Ток эмиттера в транзисторе наибольший.
Поэтому для токов транзистора существует такое соотношение:
IЭ = IК + IБ.									(3.10)
Принцип действия транзистора типа n-p-n тот же, что и транзис-
тора типаp-n-p, только основными носителями заряда в эмиттере и
коллекторе являются не электроны, а дырки.
Один из наиболее распространённых на практике вариантов
структуры биполярного транзистора приведён на рис. 3.20. Как
видно из рисунка, каждый из переходов имеет донную и боковую
части. Рабочая (активная) область транзистора расположена под
Рис. 3.20. Структура биполярного транзистора
									46

донной частью эмиттерного перехода (на рис. 3. 20 эта область не заштрихована). Остальные (заштрихованные) области структуры пассивные. Их наличие неизбежно и является особенностями технологическогопроцессаизготовленияструктурыбиполярноготранзисторавполупроводниковойпластине. Нарис. 3.21 приведеныусловные обозначения переходов и транзисторов.

Схемы включения транзисторов

Биполярныйтранзисторкакусилительное устройствоможетбыть представлен в виде четырёхполюсника. В зависимости от того, какой из трёх выводов транзистора общий для входа и выхода четырёхпо-

Эмиттерный переход	Коллекторный переход
	p-n-p
Э	К

Эмиттерный переход	Коллекторный переход
	n-p-n
Э	К

Рис. 3.21. Условные обозначения переходов и транзисторов

Рис. 3.22. Полярность подключаемого внешнего источника: а — для транзистора типа p-n-p; б — типа n-p-n

люсника, различаюттрисхемывключениятранзистора: собщейбазой

(ОБ); общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) (рис. 3.19).

Схема включения транзистора с ОЭ используется наиболее часто. Полярностьподключаемоговнешнегоисточниказависитоттипа

транзистора (для p-n-p — рис. 3.22, а, для n-p-n — рис. 3.22, б).

ВслучаевключениятранзисторавсхемусОЭвходнымтокомявляетсятокбазы, авыходным— токколлектора. ВсхемесОБвыходной ток(какивсхемесОЭ) токколлектора, авходной— токэмиттера.

Напряжения на выводах транзистора принято обозначать отно-

сительно общего электрода. Так, Uкэ означает напряжение на коллекторе относительно эмиттера в схеме с общим эмиттером.

Всхемах электронных устройств обычно различают две основные цепи: входную (управляющую) и выходную (управляемую). Посколькутранзистор— трёхэлектродныйприбор, одинизегоэлектродов общий для этих двух цепей.

Статические характеристики транзистора

Режим транзистора определяется токами и напряжениями в его входных и выходных цепях. Статические характеристики отражают зависимость между токами и напряжениями во входных и выходных цепях. Различают входные Iвх = φ(Uвх) при Uвых = const и выходные Iвых = φ(Uвых) при Iвх = const характеристики, а также

прямой передачи Iвых = φ(Iвх) при Uвых = const и обратной связи по напряжению Uвх = φ(Uвых) при Iвх = const.

При расчёте транзисторных цепей достаточно иметь семейства входных и выходных характеристик. Характеристики прямой передачи и обратной связи можно построить по семействам входных и выходных характеристик. Рассмотрим характеристики транзисторов в наиболее распространённых схемах включения с общей базой и общим эмиттером.

Транзистор в схеме с общей базой

Схема для снятия статических характеристик с ОБ представлена нарис. 3.23. МилливольтметрV1 вцепиэмиттеравсхемевыбираетсяс высоким сопротивлением. Полярность источников питания на электродах устанавливается в соответствии со структурой транзистора.

Входные характеристики транзистора p-n-p в схеме с ОБ выражают зависимость IЭ = φ(UЭБ) при UКБ = const (рис. 3.24, а). Для

Рис. 3.23. Схема для снятия статических характеристик транзистора,
включённого с ОБ
снятия входных характеристик	а		IЭ = γ(UЭ), UК = const
(рис. 3.23) устанавливаютпотенци-			IЭ = γ(UЭ), UК = const
(рис. 3.23) устанавливаютпотенци-
ометром RК (рис. 3.23) соответ-
ствующее значение UК.
Изменяя потенциометром RЭ
напряжение UЭ, находят соответ-
ствующее им значения тока IЭ. Из
рис. 3.24, а видно, что входные
характеристики транзистора типа
p-n-p похожи на характеристики
полупроводникового диода, вклю-
чённоговпрямомнаправлении. Это	б
хорошоиллюстрируетсяхарактери-	б	P	I	К	= γ(U ), I	Э	= const
стикойприUК = 0, когдаутранзис-		Кmax		К	К	Э
стикойприUК = 0, когдаутранзис-
тораработаеттолькоодинp-n пере-
ход, к которому приложено напря-
жение UЭ. Сначала характеристика
изменяется по экспоненциальному
закону, затемстановитсялинейной.
Такой ход характеристики объяс-
няетсятем, чтопрималыхзначени-
ях напряжения UЭ не происходит
достаточного снижения потенци-
альногобарьераp-n перехода. Сни-
жение потенциального барьера
происходит с увеличением UЭ как	Рис. 3.24. Характеристикитранзи-
прямогонапряжения, приложенно-		стора, включённого с ОБ:
гокp-n переходу, иосуществляется		а — входные; б — выходные
							49

полностьюнапрямолинейномучасткехарактеристики. Приэтомток

IЭ ограничивается сопротивлениями эмиттера и базы, и силы его за-

висят от концентрации основных носителей заряда в области эмит-

тераибазыималозависятотнапряжениянаколлекторе. Подтверж-

дение этому характеристика при UК = –10В. С увеличением отрица-

тельного напряжения UК расширяется коллекторный переход и

соответственно уменьшается ширина базы, вследствие чего сокра-

щаетсявремяпрохождениядырокэмиттерачерезбазувобластькол-

лектора. Возрастает ток коллектора, но одновременно уменьшается

токбазы(ввидусокращенияшириныбазы), чтоведёткнезначитель-

ным изменениям тока IЭ и сдвигом характеристики влево.

Выходные характеристики транзистора p-n-p в схеме с ОБ пред-

ставляютсобойзависимостьIК =φ(UКБ) при IЭ = const (рис. 3.24, б).

Силаколлекторноготоказависитоттого, какоеколичестводырок,

поступившихизэмиттеравбазу, достигаетколлекторногоперехода.

ПриIЭ =0 выходнаяхарактеристикааналогичнахарактеристикедио-

дадлярежимаобратногонапряжения. Силаколлекторного токаIК

приIЭ=0 зависитотконцентрациинеосновныхносителейтокавбазе

(дырок) ивколлекторе(электронов) ипринормальныхусловияхсо-

ставляетнесколькомиллиампер. Каквидноиххарактеристик, токIК

достигаетнасыщенияпринебольшихзначенияхUК, т.е. силатокаIК

зависитвосновномотколичестваосновныхносителейзаряда(обра-

зующихтокIЭ), поступившихизэмиттеравбазу, ивменьшейстепени

— отускоряющегополя, созданногонапряжениемколлектораUК.

Транзистор в схеме с общим эмиттером

Для снятия характеристик транзистора используют схему, при-

ведённую на рис. 3.25. Напряжения на эмиттерно-базовую и эмит-

терно-коллекторную цепиподаютсячерезпотенциометры RБ иRК.

Рис. 3.25. Схема для снятия статических характеристик

транзистора, включённого с О Э

	Входныехарактеристикипоказываютзависимостьтокабазыот
напряжениянабазепринеизменномнапряжениинаколлекторе, т.е.
IБ = φ(UБ) при UКЭ = const (рис.3.26, а). По семейству входных ха-
рактеристик, снятыхприразличныхнеизменныхзначенияхUК, вид-
но влияние напряжения на коллекторе на протекание тока в цепи
базы. При увеличении UК ширина коллекторного перехода стано-
вится больше и соответственно уменьшается толщина зоны базы.
Увеличение отрицательного напряжения на коллекторе в схеме с
ОЭоказываетобратноевоздействиенавходныехарактеристикипо
сравнению со схемой с ОБ; характеристики располагаются правее
и ниже. При малых токах базы зависимости IБ = φ(UБ) приближа-
ются к экспоненциальным кривым, а при больших токах имеют ли-
нейные участки (по тем же процессам, что и в схеме с ОБ).
	Выходные характеристики показывают зависимость тока кол-
лектора от напряжения на коллекторе при неизменном значении
тока базы, т.е. IК = φ(UКБ) при IЭ = const (рис. 3.26, б). В схеме с ОЭ
набазуподаётсянебольшойотрицательныйпотенциал, поэтомуток
в цепи коллектора может появиться лишь тогда, когда потенциал
коллектора будет ниже потенциала базы. Ток коллектора сначала
нарастает быстро, а затем на его изменение влияние отрицательно-
го потенциала на коллекторе сказывается меньше.
а	б
	IБ = γ(UК), UК = const
	Рис. 3.26. Характеристики транзистора, включённого с ОЭ:
	а — входные; б — выходные
	51

		Параметры транзисторов
	Система h параметров. Свойства транзисторов оцениваются по
их параметрам. При определении этих параметров транзистор рас-
сматривают как активный четырёхполюсник (рис.3.27), т.е. такой
			четырёхполюсник, укоторогомощ-
			ность электрических колебаний на
			его выходе превышает мощность
		Транзистор	колебаний на входе и имеется внут-
~	U1	и источник	ренний источник электрической
~		энергии	энергии. Положительное направле-

			ние переменных напряжений и то-
			ков на входе U1 и I1	и на выходе U2
			и I , показанные стрелками, приня-
Рис. 3.27. Активный четырёх-			ты2условно. Вактивномчетырёхпо-
		полюсник	люснике зависимости между пере-

менными составляющими напряжений и токов в цепях выражают
тремя системами параметров: z, y и h. Наибольшее практическое
применениеполучиласистемаh параметров, которуюназываютсме-
шанной из-за наличия в ней размерных и безразмерных величин.
Параметрыэтойсистемывотличиеотсистемыz иy нетрудноизме-
рить для реального режима работы транзистора.
	Всистемеh параметроввкачественезависимыхпеременныхпри-
нятытокI1 инапряжениеU2. ТогдадляU1 иI2 получимзависимости:
		U1 = f (I1, U2 ) и I2 = f (I1, U2 ).		(3.11)
	Зависимости (3.11) для сигналов малых амплитуд позволяют за-
писать связь между напряжениями и токами на входе и выходе сле-
дующими выражениями:
		∆U1 = h11∆I1 +h12∆U2,		(3.12)
		∆I2 = h11∆I1 + h12∆U2.		(3.13)
	Для определения h параметров создают режим холостого хода
на входе (∆I1 = 0) и режим короткого замыканиянавыходе(∆U2					= 0)
по переменной составляющей (рис. 3.28). Условия ∆I1 = 0 и ∆U2					= 0
означают, что при определении соответствующего h-параметра
входной ток I1 или выходное напряжение U2 неизменны, т.е. I1 =
const или U2 = const.
	Параметр h11 представляет собой входное сопротивление тран-
зистора и измеряется при коротко замкнутом выходе по перемен-
					52

ному напряжению. Так как в этом
режиме U2 = 0, то из (3.12) следует,
что
h	11		=	∆U1 \| ∆U	2	= 0 .		(3.14)
	11			∆L	2
				1
Параметр h12					— коэффициент
обратнойсвязипонапряжениюпо-
казывает, какая часть напряжения
с выхода транзистора поступает на
еговыход, т.е. характеризуетглуби-
ну обратной связи. Он определяет-
ся при разомкнутой входной цепи
(рис. 3.28, б), т.е. при ∆I1 = 0, тогда
из (3.12) получим
	h			= ∆U1 \| ∆I		= 0 .		(3.15)
		12		∆U2	1
Параметр h21					— коэффициент
усиления по току — отношение
токанавыходеквходномутоку. Он
определяется при короткозамкну-
том выходе (рис. 3.28, в). Из (3.13)
при ∆U2 = 0 следует, что									Рис. 3.28. Схемыдляопределения
				= ∆I2 \| ∆U2 =0.					параметровтранзистора: а— h ;
	h21			= ∆I2 \| ∆U2 =0.				(3.16)	б — h12; г — h22	11
				∆I1
Для схемы с ОБ h21 = соответствует α. Для схемы с ОЭ h21 = β.
Коэффициент усиления по току β для схемы с ОЭ может быть вы-
ражен через α:
						β = ∆IК / ∆IБ = α/ (1−α).				(3.17)
Параметрh22 — выходнаяпроводимость— определяетсякакотно-
шение выходного токаквыходномунапряжение приразомкнутых
входных(рис. 3.28, г) попеременномутоку. При∆I1 =0 из(20) получаем
						h		= ∆I2	\| ∆I =0.	(3.18)
							22	∆U2	1
										53

Параметр h22 (выходная проводимость) определяют по приращениям тока и напряжения коллектора при I1 = IБЭ = const. Для этого на характеристике при IБ3 (см. рис. 3.26, б) берут точки C и D и строят характеристический треугольникCDE, из которого находят ∆I2 = ∆I'К и ∆U2 = ∆U'К:

h22 =	∆I2	=	∆IК	=		IКD − IКC	.	(3.19)
	∆U2		∆UК		UКD −UКC

Влияние температуры на характеристики и параметры транзисто-

ров. Повышениетемпературытранзисторавызываетотрывэлектронов отатомовкристаллаипереходихвзонупроводимости. Вследствиеэтоговкаждомполупроводниковомматериалесn иpпроводимостьютранзистора увеличивается количество и подвижность неосновных носителей тока. Количество основных носителей зависит от концентрации примеси, аизменениетемпературывлияетнаихподвижность.

Приповышениитемпературыбольшеечислоосновныхносителей поступаетвзонупроводимостииувеличиваетсяпрямойтокчерезэмиттерныйпереход, чтоприводитксдвигувходныххарактеристикотносительнохарактеристикнормальноготемпературного(20°С) режима. Особеннозаметенростобратноготокаколлектора I*Ко(см. рис. 3.19), создаваемогонеосновныминосителямитока, числокоторыхсповышениемтемпературыувеличивается. Такимобразом, коллекторныйтокIК приповышениитемпературыувеличиваетсякакзасчетобратноготока коллектораI*Ко, такитокаIЭ, поступающегочерезэмиттерныйпереход. УвеличениетокаIК приводитксмещениювыходныххарактеристиквобластьбольшихзначенийтока. Приэтомсмещениявыходных характеристиквсхемесОЭбольше, чемвсхемесОБ.

Изменение собственной проводимости при повышении температуры изменяет характеристики и рабочие параметры транзистора. Во избежание этого втранзисторные схемы вводят соответствующие компенсирующие элементы.

ТеплостойкостьтранзисторахарактеризуетсямаксимальнойрассеиваемоймощностьюРКmax, представляющейсобойпредельнодопустимоезначение мощности, рассеиваемойнаколлекторе, прикоторой его температура не превосходит допустимых пределов. Эта мощность определяется на коллекторе, поскольку сопротивление коллекторного перехода значительно большесопротивления эмиттерногоперехода. ВеличинаРКmax зависитотмаксимальнодопустимойтемпературыколлекторногопереходаtКmax температурыокру-

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 448 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке Литература к курсу Электронные приборы

#
23.03.20154.92 Mб792Акимова Электронная техника 2003.pdf
#
23.03.201511.31 Mб46Гусев В. Г. Электроника и микропроцессорная техника (2005).djvu