151613 (Транзисторы), страница 3

Рисунок 2.9. Векторные диаграммы токов транзистора на разных частотах

С изменением частоты будет изменяться также величина фазового сдвига выходного тока транзистора по отношению к входному. Выражение (2.4) должно соблюдаться и при векторной форме представления токов. Поэтому при сдвиге по фазе между токами эмиттера и коллектора ток базы увеличивается, что приводит к уменьшению коэффициента β (см. выражение (2.9)) с ростом частоты сигнала.

Необходимо отметить, что с увеличением частоты коэффициент уменьшается значительно сильнее, чем α. Коэффициент α снижается лишь вследствие влияния емкости С_к, а на величину β влияет, кроме этого, еще и сдвиг фаз между I_э и I_к. Следовательно, схема с общей базой имеет лучшие частотные свойства, чем схема с общим эмиттером.

Для определения коэффициентов усиления по току на частоте f могут быть использованы формулы:

(2.22)

где f_α и f – частоты, на которых коэффициенты усиления по току или α уменьшается до 0,7 (в √2 раз) своего значения на низких частотах(₀ или α₀).

Оценивая частотные свойства транзистора, следует учитывать также, что диффузия – процесс хаотический. Носители зарядов, инжектированные эмиттером в базу, передвигаются в ней разными путями. Поэтому носители, одновременно вошедшие в область базы, достигают коллекторного перехода в разное время. Таким образом, закон изменения тока коллектора может не соответствовать закону изменения тока эмиттера, что приводит к искажению усиливаемого сигнала. Следует подчеркнуть вполне очевидную вещь, что чем тоньше база, тем в меньшей степени искажается сигнал на выходе и допускается работа транзистора на более высоких частотах. Поэтому, чем более высокочастотный транзистор, тем тоньше у него должна быть база.

Классификация биполярных транзисторов. Выпускаемые промышленностью дискретные биполярные транзисторы классифицируют обычно по двум параметрам: по мощности и частотным свойствам.

По мощности они подразделяются на маломощные (Р_вых 0,3 Вт), средней мощности (0,3 Вт< Р_вых 1,5 Вт) и мощные (Р_вых > 1,5 Вт); по частотным свойствам – на низкочастотные (f_α 0,3 МГц), средней частоты (0,3 МГц< f_α 3 МГц), высокой частоты (3 МГц < f_α 30 МГц) и сверхвысокой частоты (f_α > 30 МГц).,

5. Эксплуатационные параметры транзистора

Транзистор, как и любой другой электронный прибор, характеризуется рядом эксплуатационных параметров, предельные значения которых указывают на возможности практического применения того или иного транзистора.

К числу таких параметров относятся:

Максимально допустимая мощность P_kmax, рассеиваемая коллектором.

В общем случае мощность, рассеиваемая транзистором, складывается мощностей, рассеиваемых каждым р–n переходом:

Р = Р_к + Р_э = I_к U_кб + I_э U_эб.

Обычно в усилительном режиме

При недостаточном теплоотводе разогрев коллекторного перехода может привести к резкому увеличению тока I_к. Это в свою очередь приводит к возрастанию мощности, рассеиваемой на коллекторе, и к еще большему нагреву коллекторного перехода. Процесс приобретает лавинообразный характер, и транзистор необратимо выходит из строя. Следует учитывать также, что при повышении температуры окружающей среды предельно допустимая мощность уменьшается. Поэтому необходимо тщательно следить за режимом работы транзисторов, исключая внешний нагрев прибора, особенно работающего при повышенных мощностях.

Максимально допустимый ток коллектора.

Транзистор может выйти из строя при превышении тока коллектора свыше определенных пределов. Процесс разрушения обусловлен неравномерным прохождением тока по площади р-п перехода, местным с разогревом и последующим прожиганием.

Максимально допустимое напряжение между коллектором и общим электродом транзистора (U_{кэ max} или U_{кб max}).

Это напряжение определяется величиной пробивного напряжения перехода. Кроме того, оно зависит от мощности, тока коллектора и температуры окружающей среды.

Из соображений надежности работы схемы не рекомендуется использовать величины токов, напряжений и мощностей выше 70 % их наибольших допустимых значений. Следует, однако, отметить, что при работе в ключевом режиме значительная мощность выделяется на транзисторе только в течение перехода из открытого состояния к запертому и обратно (на активном участке характеристики). Поэтому среднее за период значение мощности, рассеиваемой в транзисторе, относительно невелико, что позволяет допускать мгновенные значения токов коллектора и эмиттера в 2 – 3 раза больше паспортных, предельных для режима усиления значений, не опасаясь перегрева транзистора.

Предельная частота усиления по току – частота, при которой коэффициент усиления по току или α уменьшается до 0,7 (в √2 раз) своего значения на низких частотах.

Выше перечислены лишь наиболее важные эксплуатационные параметры транзисторов. В паспортах транзисторов и справочниках указывается ряд других параметров: максимально допустимый ток базы, обратный ток эмиттера, максимально допустимый импульсный ток коллектора, напряжение насыщения коллектор-эмиттер, емкость коллекторного перехода, максимальная температура работы транзистора и т.д.

6. Полевые транзисторы

Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к управляющему электроду. Проводящий слой называют каналом, управляющий электрод – затвором.

Полевой транзистор – полупроводниковый усилительный прибор, которым управляет не ток (как биполярным транзистором), а напряжение (электрическое поле, отсюда и название – полевой), осуществляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала, в результате чего изменяется выходной ток транзистора. Управление же электрическим полем предполагает отсутствие статического входного тока, что позволяет уменьшить мощность, требуемую для управления транзистором.

Полевой транзистор (ПТ) в отличие от биполярного иногда называют униполярным, так как его работа основана на использовании только основных носителей заряда одного типа – либо электронов, либо дырок. Поэтому в полевых транзисторах отсутствуют процессы изменения (накопления и рассасывания) объемного заряда неосновных носителей, оказывающие заметное влияние на быстродействие биполярных транзисторов.

Два электрода на торцах канала называются истоком (И) и стоком (С). Исток и сток в принципе обратимы. Истоком служит тот из них, из которого при соответствующей полярности напряжения между истоком и стоком в канал поступают основные носители заряда, а стоком – тот, через который эти носители уходят из канала.

Подобно биполярному транзистору в зависимости от того, какой из выводов является общим для входных и выходных цепей, различают три схемы включения полевого транзистора: с общим истоком (ОИ), с общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). Наибольшее распространение на практике нашла схема с ОИ.

Все ПТ по своим конструктивным особенностям можно разделить на две группы:

1. полевые транзисторы с управляющим р-п переходом (канальные, или униполярные транзисторы);

2. полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы).

На рисунке 2.10 приведены схематическое изображение конструкции полевого транзистора с управляючим р-п переходом и схема его включения¹. Канал образован тонким слоем полупроводника одного типа проводимости – в случае проводимостью n типа². На торцах канала расположены два электрода, образующие омические выводы для подсоединения к внешним электрическим цепям. Один из них называется истоком (И), а второй – стоком (С). В средней части канала расположена небольшая зона полупроводника р типа, образующая с каналом р-п переход. Вывод, подсоединенный к областям р типа, является управляющим электродом и называется затвором (З). Выводы И, С и З соответствуют (в порядке перечисления) катоду, аноду и сетке электровакуумного триода или эмиттеру, коллектору и базе обычного биполярного транзистора.

Рисунок 2.10. Схематическое изображение конструкции и схема включения полевого транзистора с управляющим р-n переходом

Величина тока в канале зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком, нагрузочного сопротивления и сопротивления канала (полупроводниковой пластинки между стоком и истоком). При постоянных источнике Е_c и R_н ток в канале I_с (ток стока) зависит только от электрического сопротивления канала, которое, в свою очередь определяется длиной и эффективной площадью поперечного сечения канала. На р-п переход с помощью источника Е_зи подается обратное напряжение, что приводит к увеличению толщины р-п перехода, уменьшению сечения канала и увеличению сопротивления между истоком и стоком. Изменение величины обратного напряжения в соответствии с входным сигналом приводит к модуляции сопротивления канала, изменению тока стока и появлению сигнала на нагрузочном сопротивлении R_н. При соответствующем подборе величины R_н можно добиться повышения уровня выходного напряжения по сравнению с напряжением на входе, т.е. усилить сигнал.

Полевые транзисторы, подобно биполярным, могут быть охарактеризованы входными и выходными характеристиками. Однако для полевых транзисторов входная характеристика (зависимость I_З от U_ЗИ при фиксированном значении U_СИ) не имеет практического применения так как описывала бы незначительные изменения обратного тока p-n перехода. Поэтому и при расчетах используют только передаточные и выходные ВАХ. На рисунке 2.11 приведены выходные и передаточные (зависимость тока стока от напряжения на затворе) характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом для схемы включения с ОИ.

Рисунок 2.11. Статические вольт-амперные характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом (схема ОИ): а – выходные; б – передаточные (входные)