А.В. Журавлёв, Ю.И. Кузнецов, Л.Г. Прохоров и др. - Практикум по радиофизике (1119799), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Существуетдве возможности подключения внешней ЭДС.1. Прямое включение: при подключении положительного потенциала(+) к полупроводнику p-типа и отрицательного (−) к n-типа потенциальный барьер уменьшается, сопротивление p-n-перехода значительноуменьшается и через него протекает ток.2. Обратное включение: при подключении (+) к полупроводникуn-типа, а (−) к p-типа потенциальный барьер увеличивается, область,обедненная носителями заряда, уширяется, заряды внешним полем будут растаскиваться из перехода, таким образом, он будет закрыт, и токчерез него не потечет.3. Биполярные транзисторы.
Принцип работы n-p-n транзистора в активном режиме.Полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создаетсяпутем перемещения как электронов, так и дырок, называется биполярным. Биполярный транзистор состоит из трех слоев с чередующимися типами проводимости (Рис. 2) n-p-n- или p-n-p-типа. В обоих типахтранзисторов для правильной работы центральный слой должен бытьтонким.
Этот слой называется базой, а два оставшихся – эмиттером иколлектором. На первый взгляд в качестве эмиттера и коллектора можно взять любой из внешних слоев, но на практике большинство биполярных транзисторов несимметричны по конструкции. В них эмиттер24ный слой сильно легирован, а коллекторный легируется слабо. Крометого коллекторный р-n-переход значительно превосходит эмиттерный поплощади для лучшего улавливания носителей заряда.
Таким образом,важно соблюдать полярность выводов эмиттера и коллектора согласноописанию производителя.Схемотехническое изображение биполярных транзисторов представлено на Рис. 2 внизу. Стрелочка на условном обозначении транзистораобозначает эмиттерный вывод. Схема, в которой она направлена от базы,обозначает n-p-n транзистор, а если к базе, то – p-n-p.––++++––Рис. 2: Схемы подключения биполярных транзисторов: а) n-p-n и б) p-n-pтипов, – и их условные обозначения.Рассмотрим, например, активный режим работы n-p-n транзистора.Для случая p-n-p транзистора все рассуждения повторяются абсолютноаналогично с заменой слов «электроны» на «дырки», и наоборот, и всехнапряжений – на противоположные по знаку.Полярность подключения выводов транзисторов показана на Рис. 2.Эмиттерный переход смещен немного в прямом направлении (менеевольта).
При этом сопротивление перехода мало (∼ 10 Ом), и через базу25протекает небольшой ток [6]. Транзистор изготавливают таким образом,чтобы концентрация примесей в эмиттере значительно превышала соответствующую в базе, а базовый слой делают тонким (порядка 1 мкм).Вследствие двух этих факторов рекомбинация дырок и электронов в базебудет мала по сравнению количеством электронов прошедших эмиттерный переход. Следовательно бо́льшая часть электронов будет проходитьчерез базу (как правило более 95%) и попадать на коллекторный переход. Коллекторный переход сильно смещен в обратном направлении (наединицы или десятки вольт).
Обратное смещение является ускоряющимдля инжектированных эмиттером электронов. Все электроны, попавшиена коллекторный переход, затягиваются полем в коллектор, где они являются основными носителями заряда, и далее переносят коллекторныйток. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттераIк = αIэ ,(1)где α варьируется в пределах 0,9 – 0,999 [6]. Параметр α является однимиз основных параметров транзистора.Часть инжектированных эмиттером электронов (менее 5%) все жерекомбинирует с дырками в области базы, образуя тем самым ток базыIб .
Причем для узла токов Iэ , Iк , Iб выполняется соотношение Iэ = Iк +Iб .С учетом соотношения (1) отсюда следует, чтоIк = βIб .(2)Величину β = α/(1 − α) называют коэффициентом передачи по току,его численное значение варьируется в пределах 10 – 1000.4. Однокаскадный усилитель низкой частоты.Усиление напряжения, тока и мощности на низкой частоте наиболеецелесообразно осуществлять в схеме с общим эмиттером (ОЭ)[5, 7]. Ее26схемотехническая реализация представлена на Рис. 3, в ней эмиттернаяцепь транзистора (вместе с дополнительным последовательно соединенным сопротивлением Rэ ) является общей для входа и выхода.
Эта схемаРис. 3: Cхема однокаскадного УНЧ на биполярном транзисторе.обладает большим значением модуля коэффициента усиления по напряe U |, где:жению |Kee U = Uвых ,KeвхU(3)eвх , Ueвых – комплексные амплитуды напряжений и токов на входе игде Uвыходе усилителя. Схема с ОЭ также имеет также большой коэффициентусиления по току, который определяется аналогично (3), но в настоящейработе исследоваться не будет.Наличие больших коэффициентов усиления как по току, так и понапряжению, обуславливает выбор схемы с ОЭ для усилителя низкойчастоты.
Есть еще две схемы включения транзистора, которые не совсем подходят для этой цели. Схема с общей базой (ОБ) используется восновном в СВЧ технике, она позволяет усиливать напряжение, но практически не усиливает ток. Схема с общим коллектором (ОК) в основном27используется для согласования источника сигнала и нагрузки и называется эмиттерным повторителем [1, 5, 7].Рассмотрим назначение элементов схемы с ОЭ, представленной нарисунке 3. От источника питания подается постоянное напряжение Eп(положительное для n-р-n-транзистора).
С помощью резистора в цепибазы Rб задается активный режим работы транзистора (см. раздел ”Выбор режима работы транзистора”). Резистор в коллекторной цепи Rкявляется нагрузкой транзистора. Разделительный конденсатор C1 отсекает постоянную составляющую входного сигнала, что необходимо дляисключения влияния выходных цепей источника сигнала на режим работы транзистора по постоянному току. Конденсатор C1 также задаетнижнюю частоту полосы усиления.
Резистор в цепи эмиттера Rэ необходим для задания коэффициента усиления, увеличения входного сопротивления и для температурной стабилизации работы усилителя [5, 7].Отметим, что если не использовать Rэ , коэффициент усиления будетмаксимальным для данного транзистора, но будет наблюдаться высокаятемпературная нестабильность. Так, в последнем случае, после заданияактивного режима работы путем выбора Rб и повышения температурытранзистора всего на 8 градусов, он перейдет в режим насыщения [7].Выходной сигнал снимается между коллекторным выводом транзистораи ”землей”. Необходимо отметить, что выходной сигнал имеет зависящуюот выбора рабочей точки постоянную составляющую (иногда ее отсекают с помощью дополнительного конденсатора) [5, 7]. Конденсатор C2на Рис.
3 определяет верхнюю частоту полосы усиления прибора (см.раздел ”Частотный диапазон усилителя”).5. Выбор режима работы транзистораДля выбора активного режима работы транзистора (рабочей точки) следует воспользоваться его вольт-амперными характеристиками28(Рис. 4), которые представляют собой зависимости тока коллектора Iк отнапряжения между коллекторным и эмиттерным выводами транзистораUк-э при различных фиксированных значениях тока базы Iб .Рис.
4: Выходные вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ.Средняя, незаштрихованная часть рисунка соответствует активномурежиму работы транзистора, а заштрихованные – областям насыщенияи отсечки. В режиме насыщения падение напряжения между выводамитранзистора коллектор-эмиттер Uк-э нас мало по сравнению с Eп и составляет доли вольта. Также в режиме насыщения выводы можно считатькороткозамкнутыми, а сам этот радиоэлемент представлять в виде точки соединения проводников.
В режиме отсечки полагают, что выводытранзистора коллектор-эмиттер практически представляют собой разрыв цепи. Кривой с отметкой Pmax рас отмечена граница максимально29допустимых мощностей рассеяния транзистора, за пределами которойвозможен перегрев транзистора и пробой.Рассмотрим режим работы транзистора по постоянному току. Напряжение между коллектором и эмиттером можно записать в виде:Uк-э = Eп − Iк (Rк + Rэ ).(4)Данное соотношение является уравнением нагрузочной прямой (обозначена AC на Рис.
4). Эта прямая пересекает оси координат в точках Eп(ось Uк-э ) и Eп /(Rк + Rэ ) (ось Iк ).При изменении тока базы Iб происходит переход с одной кривойвольт-амперной характеристики (ВАХ) транзистора на другую, но мгновенные значения величин Iк и Uк-э определяются движением по графикустрого (согласно ур. (4)) вдоль нагрузочной прямой.Предположим, что постоянная составляющая тока коллектора установлена в точку B. Это можно сделать, задав постоянную составляющуютока базы, т.к. данные токи связаны соотношением (2).
Далее предположим, что задана гармоническая переменная составляющая в токе базы.Согласно (2) подобная составляющая будет и в токе коллектора. Приэтом сигнал в виде колебаний напряжения Uк-э будет повторять по форме сигнал Iк только при условии, что точки А и С не будут выходитьв заштрихованные нелинейные области. Если это условие будет соблюдаться, транзистор будет работать в активном режиме. Отметим, чтов нелинейных областях не справедлива формула (2), так как она выводилась только для активного режима работы. При попадании в этиобласти сигнал будет обрезаться сверху или снизу (или с обоих сторон),что можно увидеть на графике зависимости Uвых (t).Чтобы нелинейные искажения сигнала были наименьшими, нужноустановить постоянные составляющие Uк-э 0 и Iк0 (точку В) в центр нагрузочной прямой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
