Краткие лекции по ЭиМ (1166441), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Область транзистора, основным назначениемкоторой является собирание, экстракция носителей заряда из базы, называютколлектором (К), а р-п-переход между базой и коллектором - коллекторным (КП).В зависимости от типа электропроводности крайних слоев (эмиттера иколлектора) различают транзисторы р-п-р и п-р-п типа. В обоих типахтранзисторов физические процессы аналогичны, они различаются только типоминжектируемых и экстрагируемых носителей и имеют одинаково широкоеприменение.Напринципиальныхэлектрическихсхемах транзисторы изображают условнымиграфическимиКонструктивнобиполярныетранзисторы оформляются в металлических,пластмассовых или керамических корпусах(рис.
3.3, а).При работе транзистора к его электродам прикладываются напряжения отвнешних источников питания. В зависимости от полярности напряжений,приложенных к электродам транзистора, каждый из р-п-переходов может бытьсмещен в прямом или в обратном направлении, исходя из этого, возможнычетыре режима работы транзистора (табл. 3.1).Таблица 3.1.Режимы работы биполярного транзистораЭмиттерныйКоллекторныйРежимработыпрямоеобратноеактивныйпереходпереходтранзистора(усилительный)прямоепрямоенасыщенияобратноеобратноеОтсечкиобратноепрямоеинверсныйЕсли на эмиттерном переходе напряжение прямое, и он инжектируетносители в базу, а на коллекторном переходе напряжение обратное, и он собираетносители из базы, то такое включение транзистора называют нормальным, атранзистор работает в активном (усилительном) режиме.В режиме насыщения оба р-п-перехода включены в прямом направлении,переходы насыщены подвижными носителями заряда, их сопротивления малы.ОглавлениеВ режиме отсечки оба р-п-перехода включены в обратном направлении.
Вэлектродахтранзисторапротекаюттепловыетокиобратновключенныхпереходов.Если же на коллекторном переходе напряжение прямое, и он инжектируетносители в базу, а на эмиттерном переходе напряжение обратное, и оносуществляет экстракцию носителей из базы, то такое включение транзистораназывают инверсным, а транзистор работает в инверсном режиме.При инверсном включении транзистора необходимо учитывать следующиеособенности:Поскольку эмиттерный переход по площади меньше, чем коллекторный, тоиз того количества носителей, которые инжектируются коллекторнымпереходом, меньшее количество собирается эмиттерным переходом, что снижаетвеличину тока этого перехода.Это приводит к изменению заряда носителей в базе и, следовательно, кизменению барьерной ёмкости переходов, т.е. к изменению частотных свойствтранзистора.При меньшей площади эмиттерного перехода необходимо снижатьвеличинуеготока,чтобыоставитьпрежнейтемпературунагреваполупроводниковой структуры.Физические процессы в биполярном транзисторе.Физическиепроцессывбиполярномтранзистореприусиленииэлектрических сигналов рассмотрим на примере рис.
3.4. К транзисторуподключают два источника ЭДС:E1 - ЭДС источника входногосигнала, и E2 - ЭДС источникапитания (мощного ка). ЭДС Ejподключаетсятак,чтобыэмиттерный переход был смещенв прямом направлении, а ЭДС E2должна смещать коллекторныйпереход в обратном направлении.Тогда при отсутствии тока в цепи источника входного сигнала (во входной цепитранзистора) нет тока и в цепи источника питания (в выходной цепи).
Строгоговоря, в выходной цепи будет протекать очень маленький ток - обратный токзакрытого коллекторного перехода 1кдо, но им ввиду его малости можнопренебречь. Если же во входной цепи транзистора создать под действиемисточника Ej какой-то ток Iэ, то дырки, являющиеся основными носителями в робласти эмиттера будут инжектироваться в область базы, где они становятся уженеосновными носителями. Те из них, которые попадают в зону действияэлектрического поля коллекторного перехода, будут испытывать со стороныэтого поля ускоряющее, притягивающее действие и будут переброшены черезграницу раздела в область коллектора (область р-типа), где дырки уже являютсяосновными носителями.
Таким образом, в цепи источника питания появится ток- ток коллектора 1к, который, протекая по сопротивлению нагрузки Rn, создаеттам падение напряжения:U = IкRн (3.1)которое является выходным сигналом усилителя и в точности повторяетвсе изменения входного сигнала.Отметим, что не все носители, инжектированные из эмиттера в базу,достигают коллекторного перехода; часть из них рекомбинирует в базе по путиОглавлениедвижения от эмиттерного перехода к коллекторному - ток Iб рек.
Поэтому токколлектора 1к принципиально меньше тока эмиттера Iэ .Отношение этих токов характеризует коэффициент передачи по току:IkI э (3.2)Чтобы увеличить коэффициент передачи по току область базы делаюттонкой, чтобы меньшее количество носителей рекомбинировало в ней, и, крометого, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерногоперехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы.
Такимобразом, удается достичь величины коэффициента передачи по току =0,95…0,99 и более.Несмотря на то, что в рассмотренной схеме усиления по току нет < 1, всеже коэффициент передачи по мощности может быть значительно большеединицы за счет большого усиления по напряжению. Ведь даже при малойвеличине коллекторного тока Iк падение напряжения на сопротивлении нагрузкиIkRk может быть значительным, за счет большой величины напряженияисточника питания.Отметим, что в транзисторах n-p-n-типа все описанные процессыпротекают точно так же, но полярность источников E1 и E2 должна бытьпротивоположной, а из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны, иэлектроны же будут образовывать коллекторный ток в цепи источника E2 .Следует отметить, что в процессе усиления электрического сигнала втранзисторе происходит изменение ширины базового слоя W , так как поддействием внешних источников E1 и E2 толщина p— n-переходов изменяется,что в условиях малой ширины базового слоя происходит ее модуляция (данноеявление получило название эффект Эрли).
Это приводит к ряду особенностей:1.Чем уже становится база, тем меньшее количество инжектированныхносителей будет рекомбинировать в ней и, следовательно, большееколичество их достигнет коллекторного переходаСхемы включения транзистораКак было рассмотрено на примере, для усиления электрического сигнала вцепь транзистора необходимо включить два источника - входного сигнала E1ипитания E2. Поскольку транзистор имеет три вывода (эмиттер, база, коллектор),а два источника питания имеют четыре вывода, то обязательно один из выводовтранзистора будет общим для обоих источников, т.е. одновременно будетпринадлежать и входной цепи и выходной.
По этому признаку различают тривозможных схемы включения: с общей базой, с общим эмиттером и с общимколлектором.Схема с общей базойРассмотренный выше пример построения усилителя электрическихсигналов с помощью транзистора является схемой включения с общей базой. Нарис. 3.5 приведена электрическая принципиальная схема включения транзисторас общей базой.Основные параметры, характеризующие эту схему включения, получимследующим образом:1.Коэффициент усиления по току:Оглавление б = =к≈ 0,95 ÷ 0,99эИндекс «б» в (3.3) указывает на отношение этого метра к схеме с общейбазой.2.Входное сопротивление:ВХ б =1ЭИз (3.4) следует, что входное сопротивление транзистора, включенного всхему с общей базой, очень невелико и определяется, в основном,сопротивлением эмиттерного p—n-перехода в прямом направлении.
На практикеоно составляет единицы - десятки Ом. Это следует отнести к недостаткамусилительного каскада, так как приводит к нагружению источника входногосигнала.3. Коэффициент усиления по напряжению: б =вых К НК НН===вх1Э ВХ бВХ бКоэффициент усиления по напряжению может быть достаточно большим(десятки - сотни единиц), так как определяется, в основном, соотношением междусопротивлением нагрузки RH и входным сопротивлением.4. Коэффициент усиления по мощности: б = б б = 2НВХ бДля реальных схем коэффициент усиления по мощности равняетсядесяткам - сотням единиц.Схема с общим эмиттеромВ этой схеме (рис.
3.6) по-прежнему источник входного сигнала 1включен в прямом направлении по отношению к эмиттерному переходу, аисточник питания 1 включен в обратном направлении по отношению кколлекторному переходу и в прямом по отношению к эмиттерному. Поддействием источника входного сигнала 1 в базовой цепи протекает ток б ;происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую; часть из нихпод действием поля коллекторного перехода перебрасывается в коллекторнуюобласть, образуя, таким образом, ток в цепи коллектора Iк, который протекаетпод действием источника питания 2 через эмиттер и базу. Поэтому: Iэ = Iб + Iк.(3.7).Входным током является ток базы Iб, а выходным - ток коллектора Iк.Выходным напряжением является падение напряжения на сопротивлениинагрузки RH.Основные параметры, характеризующие эту схему вклю-ния, определим извыражений:1.Коэффициент усиления по току : э = =КК=б Э − Кподелив в этом выражении числитель и знаменатель дроби на ток эмиттераIэ, получим:КЭ==Э − К 1 − ЭОглавлениеИз (3.9) видно, что в схеме с общим эмиттером коэффициент усиления потоку достаточно большой, так как а - величина, близкая к единице, и составляетдесятки - сотни единиц.2.Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером:ВХ Э =11=б Э − Кподелив в этом выражении числитель и знаменатель на ток эмиттера Э ,получим:ВХ Э1ВХ бЭ==Э − К 1 − ЭОтсюда следует, что ВХ Э ≫ ВХ б , т.е.
по этому параметру схема с общимэмиттером значительно превосходит схему с общей базой. Для схемы с общимэмиттером входное сопротивление лежит в диапазоне сотни Ом - единицы кОм.3. Коэффициент усиления по напряжению: э =вых К НК НН===вх1б ВХ Э 1 − ВХ ЭПодставляя сюда ВХ Э из (3.10), получим: э =НН=1 − ВХ ЭВХ бт.е. коэффициент усиления по напряжению в этой схеме точно такой же,как и в схеме с общей базой э = б , и составляет десятки - сотни единиц.4. Коэффициент усиления по мощности: э = э э 2 Н=1 − ВХ бЧто значительно больше, чем в схеме с общей базой (сотни - десятки тысячединиц).Схема с общим коллекторомИсходя из принятых отличительных признаков схема включениятранзистора с общим коллектором должна иметь вид (рис. 3.7, а). Однако в этомслучае транзистор оказывается в инверсном включении, что нежелательно из-заряда особенностей, отмеченных выше. Поэтому в схеме просто механическименяют местами выводы эмиттера и коллектора и получают нормальноевключение транзистора (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
