Внутреннее (выходное)сопротивление полевого транзистора

,

характеризует наклон стоковой (выходной) характеристики на участке II (см. рис. 3.11, а).

Входное сопротивление r_вх = dU_зи/dI_з определяется сопротивлением p-n-переходов, смещенных в обратном направлении. Величина входного сопротивления имеет порядок (10⁸-10⁹) Ом, поэтому входной ток I_з в статическом режиме можно считать равным нулю.

К основным параметрам полевого транзистора также относятся:

• максимальный ток стока I_{c max};

• максимальное напряжение стока U_{си max.}

3.2.2 Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом проводимости слоев и содержит два p-n-перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n (рис. 3.12, а, б). Их условное обозначение на схемах электрических

принципиальных показано на рис. 3.12, в, г. В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий или кремний (германиевые и кремниевые транзисторы).

Трехслойная транзисторная структура создается по сплавной или диффузионной технологии. Трехслойная транзисторная структура типа p-n-p, выполненная по сплавной технологии, показана на рис. 3.12, д. Пластина полупроводника n-типа является основанием, базой (отсюда и название слоя) конструкции. Два наружных p-слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной примеси при сплавлении с соответствующим материалом. Один из слоев называется эмиттерным, а другой коллекторным. Также называются p-n-переходы, создаваемые этими слоями, и внешние выводы от этих слоев.

Функция эмиттерного перехода – инжектирование (эмиттирование) носителей заряда в базу. Функция коллектороного перехода – сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой. Чтобы носители заряда, инжектируемые эмиттером и проходящие через базу, полнее собирались коллектором, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода. Пример конструктивного исполнения маломощного транзистора показан на рис. 3.12, е.

В транзисторах типа n-p-n функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящих через базу: в приборах типа p-n-p – это дырки, а в приборах типа n-p-n – электроны.

Принцип действия транзистора рассмотрим на примере транзистора p-n-p типа.

Механизм воздействия входной цепи на выходную заключается во взаимном влиянии двух p-n-переходов - эмиттерного и коллекторного. Для изучения этого механизма обратимся к одному из возможных способов включения транзистора, показанному на рис. 3.13. В этой схеме базовый вывод является общим для входной и выходной цепей, поэтому та­кую схему включения называют схемой с общей базой.

Напряжение источника питания выходной цепи E_k прикладывается к коллекторному переходу в обратном направлении. Поэтому при отсутствии входного сигнала (E_c=0; I_э=0) в выходной цепи протекает лишь весьма незначительный по величине обратный ток коллекторного p-n-перехода I_ко. Если во входную цепь подается электрический сигнал в полярности, указанной на рис. 3.13, то к эмиттерному переходу это напряжение прикладыва­ется в прямом направлении, и во входной цепи возникает ток I_э. Этот ток соз­дается дырками, переходящими из области эмиттера в область базы. Эти носители распространяются по объему базы и проходят к коллекторному p-n-переходу. Поле коллекторного перехода, большее по величине, чем поле эмиттерного перехода, втягивает эти носители в коллекторную область и возникает состав­ляющая коллекторного тока, пропорциональная току эмиттера.

Численное значение коэффициента  меньше единицы. Это объясняется тем, что не все дырки, инжектированные в базу, достигают коллектора. Часть дырок рекомбинирует в области базы с электронами, поступившими через базовый электрод от источника E_c, и создают базовый ток I_б. Практически коэффициент  имеет значения, лежащие приблизительно в пределах от 0,8 до 0,99. Поскольку этот коэффициент связывает между собой приращения тока входной и выходной цепей, его называют коэффициентом усиления по току или коэффициентом передачи тока в схеме с общей базой. Полный ток коллекторного перехода может быть записан как

I_к = I_ко + I_э, (3.1)

где - коэффициент пропорциональности между током коллектора и эмиттера.

Несмотря на то, что выходной ток в этой схеме меньше входного, схема все же обеспечивает усиление по мощности, поскольку напряжение источника в выходной цепи значительно превышает напряжение во входной цепи.

На практике наибольшее распространение получила схема включения транзистора по схеме с общим эмиттером (рис. 3.14). В этой схеме входным током транзистора является ток базы, а выходным - ток коллектора. Величина базового тока обычно намного меньше, чем коллекторного, поэтому такая схема обладает значительным усилением по току.

Величину этого усиления можно найти, если в уравнение коллекторного тока (3.1) подставить значение I_э, найденное на основании первого закона Кирхгоффа:

.

Величина обозначается символом и называется коэффициентом усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. Таким образом,

.

У реальных транзисторов величина коэффициента  имеет значения, лежащие в пределах от 4 до 100.

Схема с общим эмиттером обладает наибольшим коэффициентом усиления по мощности, так как обеспечивает значительное усиление входного сигнала, как по току, так и по напряжению.

В зависимости от полярности и величины напряжений на электродах транзистора различают его три режима работы:

1. Активный режим (режим усиления сигнала) – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

2. Режим глубокой отсечки – оба перехода транзистора смещены в обратном направлении с помощью внешних напряжений. Ток коллектора при этом имеет минимальное значение, равное току p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Ток эмиттера имеет противоположный знак (при этом он значительно меньше тока коллектора) и его принимают равным нулю. Ток базы примерно равен току коллектора.

Режим глубокой отсечки характеризует запертое состояние транзистора, в котором его сопротивление максимально, а токи электродов минимальны. Он широко используется в импульсных устройствах, где транзистор играет роль электронного ключа.

3. Режим насыщения – оба перехода с помощью приложенных внешних напряжений смещены в прямом направлении. При этом падение напряжения на транзисторе (U_кэ) минимально и оценивается десятками милливольт. Режим насыщения возникает тогда, когда ток коллектора ограничен параметрами внешнего источника энергии и при данной схеме включения не может превысить какое-то значение I_{k max}. В то же время параметры источника внешнего сигнала взяты такими, что ток эмиттера существенно больше максимального значения тока коллектора: I_{k max}<I_э.

Из сказанного ясно, что для того чтобы транзистор из активного режима перешел в режим насыщения, необходимо увеличить ток эмиттера так, чтобы начало выполняться последнее условие.

Свойства транзисторов описываются системой характеристик и параметров. К основным параметрам транзисторов относятся следующие:

1. I_{к макс} - максимально допустимый коллекторный ток;

2. U_{кэ макс} (U_{кб макс}) - максимально допустимые напряжения коллектор-эмиттер или коллектор-база;

3. Р_{к макс} - максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе;

4. () - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (с общей базой);

5. I_ко - обратный коллекторный ток.

Биполярный транзистор, по сравнению с полевым, имеет меньшее падение напряжения в открытом состоянии и способен работать с большими токами и напряжениями. К недостаткам биполярного транзистора следует отнести значительные по величине входные токи, что накладывает определенные ограничения на источники входного сигнала.