1.9. Транзисторы

Транзистор — это активный нелинейный полупроводниковый прибор с одним или с несколькими р-n-переходами, предназначенный для усиления мощности электрических сигналов.

В биполярном транзисторе, изобретенном в 1948 г. Д.Бардиным, У.Брет-тейном и У. Шокли (США), рабочий ток создается движением неосновных носителей заряда, а в униполярном, изобретенном в I960 г. Д.Каибом и М.Атолла (США), — движением основных носителей заряда.

Сменив электронные лампы, транзисторы произвели переворот в конструкциях РЭС и методах их проектирования благодаря своим исключительным достоинствам — малым энергопотреблению, габаритным размерам и массе, а также технологичности изготовления.

В то же время применению транзисторов в конструкциях РЭС сопутствует ряд проблем, обусловленных температурной и радиационной зависимостью их параметров, потреблением тока в цепи управления, собственными шумами.

1.9.1. Биполярные транзисторы

Многообразие видов биполярных транзисторов (БТ) и их параметров

-электрических,

-конструктивных

-эксплуатационных

— определяется параметрами исходных и примесных материалов, а также структурой и свойствами их р-n -переходов.

Рис. 1.37. Биполярный транзистор

а - структура

б - модель Эберса—Молла

в -Т-образная модель

г — формальная модель в системе h параметров

а - структура;

б — модель Эберса—Молла;

в —Т-образная модель;

Типовая структура БТ (рис. 1.37, а) включает в себя три области:

- эмиттер (Э),

- базу (Б) и

- коллектор (К),

образующие два р р-n -перехода.

При любой схеме включения переход Э—Б биополярного транзистора включен в прямом направлении, а переход Б—-К — в обратном. На усилительные и частотные свойства БТ основное влияние оказывают процессы в его базовой области: инжекция неосновных носителей (n) из эмиттера, рекомбинация части из них с основными носителями (p) базы, их дрейф под действием электрического поля и втягивание в область (n) коллектора.

Анализ работы БТ возможен на основе эквивалентных представлений его как физического объекта. Так, известны физические модели Эберса—Молла (рис. 1.37, 6) и Т-образная модель (рис. 1.37, в), а также формальная модель активного линейного четырехполюсника в системе h-параметров, в которых БТ представлен как источник тока, управляемый током (рис. 1.37, г).

Модель Эберса—Молла представляет БТ как симметричную структуру для передачи тока, однако с разной степенью эффективности. Так как площадь коллекторного перехода намного больше площади эмиттерного перехода, значения коэффициентов передачи по току при прямом, (α) и инверсном (α_I) включении различны: α » α_I, где

α = I_к/I_э;

α_I, = I_Э/I_К

I_э = I_э0 [ехр(U_Б - _Э/φ_Т) - 1];

I_К = I_К0 [ехр(U_Б - _К/φ_Т) - 1];

φ_Т = kT/q — температурный потенциал;

k= 1,38 • 10^-23 Дж/К (постоянная Больцмана);

Т— абсолютная тем­пература;

q = 1,6 • 10^-19 Кл.

Т-образная модель представляет БТ через электрические сопротивления областей r_б, r_э r_к, емкость С_Б__К обратносмещенного перехода база—коллектор и эквивалентный источник тока I_К=β I_Б и позволяет рассчитать его частотные параметры и h-параметры формальной модели.

Система уравнений, справедливая для формальной модели БТ как для четырехполюсника, имеет вид

U₁=h₁₁I₁ +h₁₂U₂, I2 = h₂₁I₁ +h₂₂U₂

Где: h₁₁ — входное сопротивление;

h₁₂ — коэффициент передачи напряжения обратной связи из коллекторной цепи в базовую;

h₂₁ — коэффициент передачи по току (β);

h₂₂ - выходная проводимость.

Значения h-параметров модели рассчитывают исходя из схемы включения БТ по отношению к источнику сигнала и нагрузке: с обшей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) или общим коллектором (ОК).

Каждая из схем включения БП (рис. 1.38, а...в) имеет свои преимущества и недостатки.:

Схема с ОБ самая широкополосная, однако требует мощного источника входного сигнала.

Схема с ОЭ обеспечивает возможность усиления тока, напряжения и мощности сигнала, однако узкополосна и имеет относительно небольшое входное и большое выходное сопротивления.

Схема с ОК имеет относительно большое входное и малое выходное сопротивления, однако ее коэффициент усиления по напряжению меньше единицы.

Для работы любой схемы на основе БТ необходимо по семействам входных и выходных характеристик (рис. 1.38, г, д) задать ему режим работы по постоянному току, т.е, положение рабочей точки в отсутствие сигнала. Поле, где рабочая точка может находиться, ограничено областями насыщения 1 и отсечки 2, максимально допустимыми значениями тока коллектора Iк _max, напряжения коллектор—эмиттер Uк-э _max мощности на коллекторе Р_{к maх}.

Рис. 1.38. Схемы включения биполярного транзистора:

- общей базой (а),

- общим эмиттером (б),

- обшим коллектором и его входные (г) и выходные (д) ВАХ:

1 — область насыщения; 2 — область отсечки

Рис. 1.39. Функциональные узлы на биполярных транзисторах:

а — усилитель напряжения;

б — генератор синусоидального сигнала;

в — релаксационный генератор;

г — преобразователь;

д — двухтактный усилитель мощности;

е — стабилизатор напряжения;

ж — модификации структуры БТ;

1 — многоэмиттерный; 2 — многоколлекторный; 3 — со структурой р— п — i—p;

4 —с диодом Шоттки

Кроме того, по входной характеристике можно рассчитать крутизну S, характеризующую усилительные свойства БТ.

На рис. 1 .39, а... е показаны примеры использования БТ в функциональных узлах РЭС, а на рис. 1.39, ж — модификации структуры БТ.

При выборе типа БТ необходимо учитывать его функциональное назначение и требования к параметрам — напряжению U_к__э, току Iк, мощности Pк, обратному напряжению U_{Э—Б обр}-б , коэффициентам усиления α и β, граничным частотам усиления f_a и f_β, максимальной рабочей температуре Т_тах и тепловому сопротивлению корпуса R_T, а также способу установки и монтажа.

Электрическую нагрузку БТ оценивают коэффициентами нагрузки:

- по напряжению коллектор— эмиттер Uк-э,

-току коллектора I_к

-мощности Pк, рассеиваемой на коллекторе

K_н^(Uк-е) =U_к-э / U_{к-э доп} ≤ 0,7

K_н^(Iк) =I_к / I_{к доп} ≤ 0,7

K_н^(Pк) =P_к / P_{к доп} ≤ 0,7

Для мощных транзисторов в справочной литературе указывают мощность, которая может быть рассеяна корпусом данного транзистора, и максимальную мощность, которая может быть рассеяна корпусом транзистора, установленным на радиатор. Важным параметром этих транзисторов является пиковая мощность, рассеиваемая на коротком интервале переключения транзистора из закрытого состояния в открытое, и наоборот.