Михайлов А.В. и др. Физические основы электроники: активные электронные компоненты и компоненты оптоэлектроники - файл n1.doc

приобрести
Михайлов А.В. и др. Физические основы электроники: активные электронные компоненты и компоненты оптоэлектроники
скачать (2536.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2537kb.08.07.2012 17:53скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6


Федеральное агентство по образованию




Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»



А. В. Михайлов, М. Г. Родионов, А. А. Горшенков

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ:

АКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
И КОМПОНЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации

по образованию в области приборостроения и оптотехники для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки

200100 – Приборостроение и специальности 200106 –

Информационно-измерительная техника и технологии

Омск

Издательство ОмГТУ

2010

УДК 621.38+621.383 (075)

ББК 32.85+32.86я73


М 69

Рецензенты:

А. И. Калачев, к.т.н., доцент, ректор Сибирского института бизнеса и информационных технологий Сибирской ассоциации непрерывного образования;

Е. П. Дьяков, к.т.н., доцент, первый проректор Евразийского института экономики, менеджмента и информатики


Михайлов, А. В.

М 69 Физические основы электроники: активные электронные компоненты и компоненты оптоэлектроники: учеб. пособие / А. В. Михайлов, М. Г. Родионов, А. А. Горшенков. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. – 104 с.
ISBN 978-5-8149-0814-8
В учебном пособии рассматриваются общие вопросы, связанные с физическим принципом действия активных компонентов электронной техники, а именно: биполярные и полевые транзисторы, а также элементы оптоэлектронной техники.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 200100 «Приборостроение» и специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии», очной очно-заочной и заочной форм обучения, также может быть полезно студентам других специальностей, изучающим дисциплину «Физические основы электронной техники».


Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета

УДК 621.38+621.383 (075)

ББК 32.85+32.86я73



ISBN 978-5-8149-0814-8


 ГОУ ВПО «Омский государственный

технический университет», 2010

ВВЕДЕНИЕ
За последние сорок лет в создании новых электронных приборов и систем различного назначения наблюдалось стремительное развитие, которое привело к значительным изменениям во многих отраслях науки и техники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные устройства или автоматика и вычислительная техника. Это и радиоэлектронные системы, предназначенные для решения сложных комплексных задач, и изделия, имеющие особые эксплуатационные назначения и выполняющие отдельные функции, и изделия вычислительной техники, встроенные в приборы и системы или подключаемые к ним.

В развитии радиоэлектронных приборов и систем на протяжении многих лет остается стабильным только одно – непрерывное совершенствование эксплуатационных показателей и показателей функционального назначения.

Разработка и эффективное применение электронной аппаратуры невозможны без знания физических принципов действия основных радиоэлектронных компонентов, их номенклатуры и особенностей. Поэтому изучению дисциплины "Физические основы электронной техники" обычно уделяется повышенное внимание.

Дисциплина "Физические основы электронной техники" призвана сформировать у студентов понимание физического принципа действия радиоэлектронных компонентов, их параметров, основных характеристик и взаимодействия друг с другом в электронных схемах.

1. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют полупроводни­ковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами, тремя или более выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

В настоящее время широко используют биполярные тран­зисторы с двумя p-n-переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности раз­личных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n типов.

Транзисторы, в которых p-n-переходы создаются у повер­хностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют плоскостными.

Физические процессы в транзисторах. Упрощенная структура плоскостного p-n-p-транзистора показана на рис. 1.1, а, усло­вные обозначения p-n-p- и
n-p-n-транзисторов – на рис. 1.1, б.


а) б)

Рис. 1.1. Упрощенная структура плоскостного транзистора (а) и его условные обозначения
с указанием направления токов при работе в нормальном активном режиме (б)
При подключении напряжений к отдельным слоям биполяр­ного транзистора оказывается, что к одному переходу приложе­но прямое напряжение, к другому – обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответству­ющий наружный слой – эмиттером (Э); средний слой называ­ют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллектор­ным, а соответствующий наружный слой – коллектором (К).

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение называется инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.
Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовлен­ных различными методами, приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структуры транзисторов: а – сплавного; б – эпитаксиально-диффузионного;
в – планарного; г – мезатранзистора; 1 – база; 2 – эмиттер;
3 – коллектор (эпитаксиальная пленка); 4 – подложка
В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носи­тели заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузи­онными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Понятие "диффузионный транзистор" отражает основные процессы, происходящие в базе, поэтому его не следует путать с технологическим процессом получения p-n-переходов.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выпол­няют низкоомными, а базу – относительно высокоомной (де­сятки – сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора.

Все положения, рассмотренные ранее для единичного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов тран­зистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протека­ющими через каждый p-n-переход, и результирующие токи равны
нулю.

При подключении к электродам транзистора напряжений и
(рис. 1.3) эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном.

В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через p-n-переход в область базы (инжекция дырок), а
электроны – из области базы в область эмиттера. Так как удельное сопротивление базы высокое, дырочный поток носителей заряда преобладает над электронным. Поэтому последним в первом приближении можно пренебречь. Для количественной оценки составляющих полного тока p-n-перехода используют коэффициент инжекции

,

где и – дырочная и электронная составляющие тока p-n-перехода;
– полный ток p-n-перехода.



Рис. 1.3. Схема движения носителей заряда в транзисторе
Дырки, инжектированные в базу, создают вблизи p-n-перехода электрический заряд, который в течение времени (3 ч 5) компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника . Аналогично заряд электродов в эмит­тере компенсируется дополнительными дырками, но так как инжекция приближается к односторонней, то эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в последней электрический ток , который направлен из базы.

Вследствие разности концентраций (в диффузионных тран­зисторах) и разности концентраций и внутреннего электричес­кого поля (в дрейфовых), инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсировавшие их заряд и, тем самым, обеспечившие электронейтральность базы, движутся в глубь ее по направлению к коллектору. Если бы база была достаточно толстой (W > 3L), то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней и в области, прилегающей к коллекторному p-n-переходу, их концентрация стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного p-n-перехода. Однако во всех реальных транзисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины,
т. е. W << 0,2 L. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для прохождения ими базы. Большинство дырок, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с электронами и, попав вблизи коллекторного p-n-перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор (экстракция дырок). Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, в свою очередь, уходят через базовый вывод, создавая ток , направленный в базу транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p-n-перехода несколько больше тока коллек­торного p-n-перехода. Относительное число неосновных носи­телей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора, характеризуется коэффициентом переноса

,

где , – концентрация дырок, прошедших через коллек­торный и эмиттерный переходы; , – токи коллекторного и эмиттерного переходов, созданные дырками.

Дырки в базе являются неосновными носителями заряда и свободно проходят через закрытый коллекторный p-n-переход в область коллектора. За время, определяемое постоянной времени диэлектрической релаксации , они компенсируются электронами, создающими ток коллектора и приходящими из внешней цепи. Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители заряда, инжектированные эмиттером, достигали бы коллекторного перехода, и ток эмиттера был бы равен току коллектора. В действительности только часть тока эмиттера составляют дырки, и только часть их доходит до коллекторного перехода. Поэтому ток коллектора, вызванный инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный пе­реход, равен

; ,

где – коэффициент передачи эмиттерного тока.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неос­новными носителями заряда, через p-n-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток . Причины его возникновения те же, что и в единичном p-n-переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи

. (1.1)

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному пе­реходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному p-n-переходу приложить напряжение, изменяющее по этому закону ток эмиттера.

Математическая модель транзистора. Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при получении математичес­кой модели, показана
на рис. 1.4. Каждый p-n-переход пред­ставлен в виде диода, а их взаимодействие отражено гене­раторами токов. Если эмиттерный p-n-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного тока (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обес­печивается генератором
тока (<1). Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направ­лении и прямому коллекторному току соответствует эмит­терный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где – коэффициент передачи коллек­торного тока.

Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие – инжектируемую (или ) и собираемую ( или ):

, . (1.2)

Эмиттерный и коллекторный p-n-переходы транзистора аналогичны
p-n-переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их вольтамперная харак­теристика определяется так же, как и в случае диода. Однако если к одному из p-n-переходов приложить напряжение, а выводы другого p-n-перехода замкнуть между собой накоротко, то ток, протекающий через p-n-переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределе­ния неосновных носителей заряда в базе. В результате получим

; , (1.3)

где – тепловой ток эмиттерного p-n-перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и коллектора; – тепловой ток коллекторного
p-n-перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и эмиттера.

Связь между тепловыми токами p-n-перехода , , включенных раздельно, и тепловыми токами , получим из (1.2) и (1.3). Пусть . Тогда . При ||<< . Подставив эти выражения в (1.1), для тока коллектора получим .


Рис. 1.4. Эквивалентная схема идеализированного транзистора
Соответственно для имеем . Токи коллектора и эмиттера с учетом (1.3) примут вид

(1.4)

На основании закона Кирхгофа ток базы

(1.5)

При использовании (1.2) – (1.5) следует помнить, что в полупроводниковых транзисторах в самом общем случае справедливо равенство

. (1.6)

Решив уравнения (1.4) относительно , получим

(1.7)

Это уравнение описывает выходные характеристики тран­зистора.

Уравнения (1.4), решенные относительно , дают выраже­ние, характеризующее идеализированные входные характеристи­ки транзистора:

. (1.8)

В реальном транзисторе кроме тепловых токов через переходы протекают токи генерации – рекомбинации, каналь­ные токи и токи утечки. Поэтому , , , , как правило, неизвестны. В технических условиях на транзисторы обычно приводят значения обратных токов p-n-переходов , , определенные как ток соответствующего перехода при неподключенном выводе другого перехода.

Если p-n-переход смещен в обратном направлении, то вместо теплового тока можно подставлять значение обратного тока, т. е. считать, что и . В первом приближении это можно делать и при прямом смещении
p-n-перехода. При этом для кремниевых транзисторов вместо следует подставлять , где коэффициент m учитывает влияние токов реального пере-хода (m = 2 ч 4). С учетом этого, уравнения (1.4) и (1.6) часто записывают в другом виде, который более удобен для расчета цепей с реальными тран­зисторами:

; (1.9)

; (1.10)

, (1.11)

где .

Различают три основных режима работы биполярного транзистора: активный, отсечки, насыщения.

В активном режиме один из переходов биполярного тран­зистора смещен в прямом направлении приложенным к нему внешним напряжением, а другой – в обратном направлении. Соответственно в нормальном активном режиме в прямом направлении смещен эмиттерный переход, и в (1.4), (1.9) напряже-
ние имеет знак «+». Коллекторный переход смещен в обратном направлении, и напряжение в (1.10) имеет знак «–».

При инверсном включении в уравнения (1.4), (1.9) следует подставлять противоположные полярности напряжений , . При этом различия между инверсным и активным режимами носят только количественный характер.

Для активного режима, когда |<<| и , (1.7) запишем в виде , что полностью совпадает с (1.1).

Учитывая, что обычно ч и , урав­нение (1.8) можно упростить:

. (1.12)

Таким образом, в идеализированном транзисторе ток коллектора и напряжение эмиттер – база при определенном значении тока не зависят от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. В действительности изменение напряжения меняет ширину базы из-за изменения размеров коллекторного перехода и соответственно изменяет градиент концентрации неосновных носителей заряда. Так, с увеличением || ширина базы уменьшается, градиент концентрации дырок в базе и ток увеличиваются. Кроме этого, уменьшается вероятность рекомбинации дырок и увеличивается коэффициент . Для учета этого эффекта, который наиболее сильно проявляется при работе в активном режиме, в выражение (1.12) добавляют дополнительное слагаемое:

, (1.13)

где – дифференциальное сопротивление запертого коллекторного p-n-перехода.

Влияние напряжения на ток оценивается с помощью коэффициента обратной связи по напряжению

, (1.14)

который показывает, во сколько раз следует изменять напряже­ние для получения такого же изменения тока , какое дает изменение напряжения . Знак минус означает, что для обеспечения приращения напряжений должны иметь противоположную полярность. Коэффициент достаточно мал (ч), поэтому при практических расчетах влиянием коллекторного напряжения на эмиттерное часто пренебрегают.

В режиме глубокой отсечки оба перехода транзистора смещены в обратном направлении с помощью внешних напряжений. Значения их модулей должны превышать (3 ч 5). Если модули обратных напряжений, приложенных к переходам транзистора, окажутся меньше (3 ч 5), то транзистор также будет находиться в области отсечки. Однако токи его электродов окажутся больше, чем в области глубокой отсечки.

Учитывая, что напряжения и имеют знак минус, и считая, что ||>З и ||>З, выражение (1.9) запишем в виде

(1.15)



Подставив в (1.15) значение , найденное из (1.10), и раскрыв значение коэффициента А, получим

, (1.16)

.

Если учесть, что , а <<, то выражения (1.16) существенно упростятся и примут вид

, (1.17)

,

где ; .

Из (1.17) видно, что в режиме глубокой отсечки ток коллектора имеет минимальное значение, равное току единич­ного p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Ток эмиттера имеет противоположный знак и значительно меньше тока коллектора, так как <<. Поэтому во многих случаях его считают равным нулю: .

Ток базы в режиме глубокой отсечки приблизительно равен току коллектора:

. (1.18)

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

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

Тогда коллекторный переход оказывается открытым, паде­ние напряжения на транзисторе – минимальным и не завися­щим от тока эмиттера. Его значение для нормального включения при малом токе равно

. (1.19)
Для инверсного включения

. (1.20)

В режиме насыщения уравнение (1.13) теряет свою справед­ливость. Из сказанного ясно, что, для того чтобы транзистор из активного режима перешел в режим насыщения, необходимо увеличить ток эмиттера (при нормальном включении) так, чтобы начало выполняться условие <. Причем значе­ние тока , при котором начинается этот режим, зависит от тока , определяемого параметрами внешней цепи, в которую включен транзистор.

Три схемы включения транзистора. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора (рис. 1.5): с общей базой (ОБ); с общим эмит­тером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, т. е. необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками . Они изменяют ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рис. 1.5, а, б) и тока эмиттера (рис. 1.5, в) соответственно на резисторах и создадут приращения напряжений, которые и являются выходны­ми сигналами . Параметры схем обычно выбирают так, чтобы было бы во много раз больше вызвавшего его приращения (рис. 1.5, а, б) или близко к нему (рис. 1.5, в).


Рис. 1.5. Включение транзистора по схеме с общей базой (а), с общим эмиттером (б),
с общим коллектором (в)
Вид входных и выходных вольт-амперных характеристик транзистора зависит от схемы включения его в цепь, что следует из полученной общей математической модели (1.4). Так, для схемы включения с ОБ статические характеристики имеют вид, показанный на рис. 1.6, для схемы с ОЭ – на рис. 1.7.
На рис. 1.6, а видны две области: активный режим (< 0), и коллекторный переход смещен в обратном направ­лении; режим насыщения (>0), и коллекторный переход смещен в прямом направлении.



Рис. 1.6. Статические характеристики идеализированного транзисто­ра, включенного
по схеме с ОБ: а – выходные; б – входные

Для удобства и упрощения расчетов в справочниках при­водят статические выходные и входные характеристики для схем включения с ОБ и ОЭ.

В цепях, где транзистор включен по схеме с ОЭ или ОК, удобно пользоваться не коэффициентом передачи эмиттерного тока , а коэффициентом передачи базового тока . Это обусловлено тем, что в подобных случаях обычно задается изменение тока базы. Найдем связь между и . Для этого используем уравнение (1.13) и уравнение .



Рис. 1.7. Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора,
включенного по схеме с ОЭ
Подставив в (1.17), получим

;

,

или , (1.21)

где ; ; ; – об­ратный ток коллекторного перехода при .

Так как , то >> 1. У транзисторов, выпускаемых промышленностью, ч. Падение напряжения на эмиттерном переходе в активном режиме составляет доли вольт, в то время как – несколько десятков вольт. Поэтому в большинстве случаев справедливо допущение, что , с учетом которого (1.21) примет вид

(1.22)

Следует обратить внимание на то, что в схеме с ОЭ влияние тока и сопротивления на коллекторный ток увеличивается в раз по сравнению со схемой с ОБ.

Коэффициенты и зависят от тока, протекающего через транзистор. Эта зависимость во многом определяется техноло­гией, по которой изготовлен конкретный транзистор, и обуслов­лена процессами рекомбинации в области
p-n-перехода, в базе и приповерхностных областях у эмиттерного перехода. Для инженерных расчетов применяют различные упрощен­ные аппроксимации зависимости от тока:

,

; ,

где – коэффициент передачи при токе .

Последнюю аппроксимацию целесообразно применять для расчета у современных микромощных транзисторов в диа­пазоне токов А. При этом погрешность расчета находится в пределах 5  20 %.

Коэффициент значительно меньше зависит от режима работы транзистора. Коэффициенты передачи эмиттерного и базового токов увеличиваются при повышении температуры окружающей среды.

Зависимость коэффициентов и от режима работы приводит к тому, что дифференциальные коэффициенты пере­дачи эмиттерного и базового токов

(1.23)

не равны соответствующим интегральным коэффициентам передачи, в которых принято, что

; . (1.24)

Дифференциальные коэффициенты передачи базового и эмит­терного токов могут быть больше, меньше или равны интегральному. В дальнейшем зависимости , будем учитывать только в специальных случаях.

Инерционные свойства транзистора. При быстрых изменениях входного сигнала, например , проявляются инерционные свойства транзистора. Они обусловлены конечным временем "пролета" носителей заряда через область базы, временем, необходимым на перезарядку емкостей эмиттерного и кол­лекторного переходов и на установление необходимых кон­центраций носителей зарядов. В итоге выходной сигнал (ток ) будет иметь искаженную форму.


Если у транзистора, работающего в активной области, скачком изменить ток на (рис. 1.8, а), то вначале практически не меняется, а затем начинает нарастать до установившегося значения по сложному закону, увеличиваясь на (рис. 1.8, б).

В инженерной практике чаще всего считают, что изменения выходного сигнала происходят по экспоненте с задержкой на время . Экспоненциальная функция имеет постоянную времени , приблизительно равную времени, в течение ко­торого выходной сигнал достигает 0,63 установившегося значе­ния. Изменения выходного сигнала не соответствуют измене­ниям входного. Это свидетельствует о том, что коэффициент является функцией времени. Так как данная зависимость достаточно сложная, при практических расчетах ее заменяют более простыми функциями.



Рис. 1.8. Диаграмма изменения токов эмиттера (а) и коллектора (б)

В большинстве случаев считают, что в операторном виде изменение сигнала происходит в соот­ветствии с выражением

, (1.25)

где – статическое значение коэффициента передачи эмит­терного тока.

Постоянная времени , здесь – предельная частота, на которой коэффициент становится равным 0,7 своего статического значения (уменьшается на 3 дБ).

При необходимости учесть время задержки, выражение (1.25) несколько усложняют, вводя в числитель функцию :

. (1.26)

Иногда применяют другое приближение, которое является более сложным и менее удобным, но позволяет точнее аппроксимировать передаточную характеристику :

, (1.27)

где .

Инерционные свойства транзистора, характеризуемые из­менением коэффициента , находят путем подстановки в вы­ражение изображения . После преобразований

, (1.28)

где ; – коэффициент передачи базового тока в области низких частот; – пре­дельная частота при включении транзистора по схеме с ОЭ.

Частотные свойства транзистора, включенного по схеме с ОЭ, значительно хуже, чем при включении по схеме с ОБ, так как >>, а <<.

Иногда используют и другую аппроксимацию, полностью аналогичную аппроксимации (1.27):

. (1.29)

В ряде случаев частотные свойства транзистора харак­теризуют не предельными частотами , , на которых модуль коэффициентов передачи уменьшается в 2 раза, а так называемой граничной частотой , на которой модуль коэффициента передачи тока базы | | становится равным единице. Найдем . Так как из (1.29) следует

, (1.30)

получаем />> 1. Значит

.

Если , то и, следовательно,

. (1.31)

Полная эквивалентная схема транзистора имеет сложный вид и неудобна для анализа и расчета электронных цепей. Поэтому при расчете режимов работы транзисторных каскадов на постоянном токе, когда требуется выбирать положение рабочей точки, характеризующей токи транзистора и падения напряжения на нем (режим большого сигнала), используют эквивалентные схемы транзистора для постоянного тока (рис. 1.9). В них учтены только основные факторы, влияющие на постоянные токи и падения напряжения на электродах транзистора.

В качестве напряжения , которое запирает идеализи­рованный диод (эмиттерный переход) и является контактной разностью потенциалов, обычно используют пороговое напря­жение . Значение его находят как точку пересечения прямой линии, аппроксимирующей входную вольтамперную характеристику в области больших токов с осью абсцисс. Сопротивление p-n-перехода , значение которого зависит от режима работы транзистора, меняется в активном режиме в пределах десятых долей – десятков Ом. Омическое сопротивление
тела базы достигает 100  200 Ом.

В транзисторах типа n-p-n в эквивалентной схеме меняется направление генераторов тока, полярность включения диода и напряжения .



Рис. 1.9. Упрощенные эквивалентные схемы p-n-p-транзисторов, вклю­ченных по схемам
с ОБ (а) и ОЭ (б); нахождение напряжения (в)

При анализе усилительных свойств устройства, работос­пособность которого обеспечена выбором необходимых токов и напряжений, используют эквивалентные схемы для перемен­ного тока, показанные на рис. 1.10. Так как значения напряже­ний и токов переменного сигнала обычно значительно меньше, чем постоянного, то такие эквивалентные схемы часто назы­вают малосигнальными.



Рис. 1.10. Малосигнальные эквивалентные схемы транзистора при включении
по схемам с ОБ (а) и ОЭ (б)

Все сопротивления, входящие в эквивалентные схемы, дифференциальные, за исключением омического сопротивления базы .

Барьерная емкость коллекторного перехода определяется с помощью тех же выражений, что и для диодов и p-n-переходов, причем емкость в схеме с ОЭ увеличивается в раз. Это вытекает из уравнения (3.31). Действительно, при учете емкости запертого коллекторного перехода его сопротивление для переменного тока определяется эквивалент­ным сопротивлением , состоящим из включенных парал­лельно сопротивлений и :

||.

В схеме с ОЭ сопротивление уменьшается в раз (так же, как это было показано для ):

||.

Следовательно, в схеме с ОЭ

.

При расчетах генератором напряжения обычно пренебрегают ввиду малости его напряжения.

Шумы транзистора. При работе транзисторов в них воз­никают шумы, которые могут быть обусловлены:

– неодина­ковым числом электронов и дырок, проходящих через переход в единицу времени (высокочастотные дробовые шумы);

– теп­ловым шумом сопротивлений эмиттера, базы и коллектора (тепловые шумы);

– поверхностными явлениями у переходов (низкочастотные шумы);

– флуктуациями концентраций подви­жных носителей заряда из-за нерегулярности процесса реком­бинаций (низкочастотные рекомбинационные шумы).

Величина шумов транзистора количественно оценивается коэффициентом шумов



или

,

где – напряжение тепло­вых шумов источника сигнала, подключенного ко входу транзистора; – напряжение, которое нужно ввести во вход­ную цепь "нешумящего" транзистора для получения в выходной цепи напряжения, равного напряжению шумов.

h-параметры транзисторов. При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырех­полюсника (рис. 1.11), на входе которого действует напряжение и протекает ток , а на выходе – напряжение и ток . Для транзисторов чаще всего используются h-параметры, так как они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с h-параметрами, имеет вид

. (1.32)

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий: | – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе; | – коэффициент обратной связи по напряжению;

| – коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе;

| – выходная проводимость при холостом ходе на входе.



Рис. 1.11. Схема транзистора, представленного в виде активного четырехполюсника
По эквивалентным схемам тран­зистора можно найти, от чего зависит каждый из коэффициентов. Если и генератор напряжения не учитывать, то для схем с ОБ и ОЭ (см. рис. 1.10) параметры равны1

; ;

; ;

; ; (1.33)

; .

В (1.33) учтено, что сопротивление базы у реальных транзисторов порядка сотен Ом. Значения сопротивления находятся в пределах долей – десятков мегаом, и ч.

Аналогичный вид имеют статические значения h-параметров, определенные с помощью эквивалентной схемы для постоян­ного тока. Однако наиболее часто представляют интерес только значения , :

;

(1.34)

Они равны интегральным коэффициентам передачи эмиттерного и базового токов.

В технических условиях на транзисторы задают не коэффици­енты , , а равные им в первом приближении параметры , . В дальнейшем при анализе цепей с биполярными транзисторами будем использовать параметры транзистора, выраженные через коэффициенты четырехполюсника. Коэффици­енты и будем привлекать лишь для объяснения физических особенностей работы различных полупроводниковых приборов.
Основные параметры биполярных транзисторов и их ори­ентировочные
значения:


1) коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока (дифференциальные коэффициенты передачи, которые в первом приближении считают равными интегральным)

|; |;

2) дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

|,

где – дифференциальное сопротивление эмиттера, которое составляет единицы – десятки Ом);

3) обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении ; ( от нескольких наноампер до десятков миллиампер);

4) объемное сопротивление базы (десятки сотни Ом); коэффициент внутренней обратной связи по напряжению ;

5) выходная проводимость или дифференциальное со­противление коллекторного перехода

;

( составляет доли сотни микросименсов);

6) максимально допустимый ток коллектора (от сотен до десятков ампер);

7) напряжение насыщения коллектор эмиттер (от десятых долей до единиц вольт);

8) наибольшая мощность рассеяния коллектором (от единиц милливатт до десятков ватт);

9) емкость коллекторного перехода (единицы – десятки пикофарад);

10) тепловое сопротивление между коллектором транзистора и корпусом , где — перепад температур между коллекторным переходом и корпусом;

11) предельная частота коэффициента передачи тока или , на которой коэффициент передачи тока умень­шается до 0,7 своего статического значения: ; (задаются или или )единицы килогерц сотни мегагерц; иногда вместо предельной задают граничную частоту коэффициента передачи в схеме с ОЭ или , когда ;

12) максимальная частота генерации это наибольшая частота, при которой транзистор может работать в схеме автогенератора. Ориентировочно можно считать, что на этой частоте коэффициент усиления транзистора по мощности равен единице.

Обозначения биполярных транзисторов состоят из шести или семи элементов. Первый элемент буква, указывающая ис­ходный материал: Г германий, К кремний, А арсенид гал­лия. Для транзисторов специального назначения первый эле­мент цифра: 1 германий, 2 кремний, 3 арсенид галлия. Второй элемент буква Т. Третий элемент число, присваива­емое в зависимости от назначения транзистора (см. табл. 1.1). Четвертый, пятый и шестой элементы цифра, означающая по­рядковый номер разработки. Шестой (седьмой) элемент бук­ва, указывающая разновидность типа из данной группы приборов, например: ГТ108А, 2Т144А, КТ602А, КТ3102А и т. д.
Таблица 1.1



Обозначе­ние тран­зистора


Мощность,
рассеива­емая тран­зистором


Граничная частота коэффициента передачи тока, МГц


до 3


до 30


более 30


30 300


свыше 300

Шестизначное

Малая

1

2

3







Средняя

4

5

6







Большая

7

8

9







Семизначное

До 1 Вт




1




2

4

Свыше 1 Вт




7




8

9


  1   2   3   4   5   6


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации