1. Общие сведения

Транзисторы – это полупроводниковые приборы, пригодные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. В транзисторах может быть разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя n–p–переходами, называемые биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Устройство плоскостного биполярного транзистора

Транзистор представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n–p–n, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью. Широко применяются также транзисторы типа p–n–p, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n–p–перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концент`рация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы.

Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно i_б, i_э, i_к. Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например напряжение между базой и эмиттером U_б-э, между коллектором и базой U_к-б. На условном графическом обозначении (рис. 5.2) транзисторов p–n–p и n–p–n стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Рис. 5.2. Условное графическое обозначение транзисторов

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

Активный режим – напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки (запирания) – обратное напряжение подано на оба перехода.

Режим насыщения – на обоих переходах прямое напряжение.

Основным является активный режим. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи: входная (управляющая) – в нее включают источник усиливаемых сигналов и выходная (управляемая) – в нее включается нагрузка.

2. Принцип действия n–p–n транзистора

Рассмотрим принцип работы транзистора, на примере n–p–n транзистора в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений E₁ и E₂ (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схема включения n–p–n транзистора без нагрузки

Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения E₁ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение E₂ обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 5.3 видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью .

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда U_б-э<<U_к-б и, следовательно, U_к-э»U_к-б.

Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна характеристике диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т.е. участка база – эмиттер (U_б-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора. Чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение U_б-э, т.е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения U_б-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера i_э. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Т.к. коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками «+» и «–». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т.е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы. В установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к плюсу источника E₁ такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов. Если некоторое число инжектированных в базу из эмиттера электронов не доходит до коллектора, а остается в базе, рекомбинируя с дырками, то точно такое же число электронов должно уходить из базы в виде тока i_б. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно i_б составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т. е. , а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать . Именно для того, чтобы ток i_б был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода. Ток коллектора почти не увеличивался бы за счет электронов эмиттера, а наблюдалось бы лишь увеличение тока базы.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе нет тока. В этом случае область коллекторного перехода имеет большое сопротивление постоянному току, т.к. основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе стороны от границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей, т.е. электронов из p-области и дырок из n–области.

Важное свойство транзистора – приблизительно линейная зависимость между его токами, т.е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу.

Подобные же процессы происходят в транзисторе типа p–n–p, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рис. 5.3). В транзисторе типа p–n–p из эмиттера и базу инжектируются не электроны, а дырки, которые являются для базы неосновными носителями. С увеличением тока эмиттера больше таких дырок проникает через базу к коллекторному переходу. Это вызывает уменьшение его сопротивления и возрастание тока коллектора.

Работу транзистора можно наглядно представить с помощью потенциальной диаграммы, которая приведена на рис. 5.4 для транзистора типа n–p–n. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение U_б-э, тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны.

Рис. 5.4. Потенциальная диаграмма работы n–p–n транзистора

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще ряд явлений.

Существенно влияет на работу транзисторов сопротивление базы r_б0, т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы i_б (ноль в индексе здесь означает, что данная величина относится к постоянному току.) Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер–коллектор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т.е. для тока i_к ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы r_б0 (его называют поперечным) достигает сотен ом, т.к. в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение U_б э между выводами базы и эмиттера, т.к. часть подводимого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления r_б0 можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

На рис. 5.5, r_э0 – сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение r_э0 у маломощных транзисторов достигает десятков ом, поскольку напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов больше и i_э0 соответственно меньше. Сопротивление r_б0 определяется формулой (в омах) где ток i_э выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора r_ко представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоом. В него входит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Рассмотренная эквивалентная схема является весьма приближенной, т.к. на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов. Тем не менее, эта схема может применяться для рассмотрения многих процессов в транзисторе.

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда, из-за ударной ионизации. Это явление и туннельный эффект способны вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода. Электрический и тепловой пробой коллекторного перехода в транзисторе происходит в основном так же, как и в диоде. Но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе может возникать тепловой пробой без предварительного электрического пробоя, т.е. без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода называется вторичным пробоем.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопровождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор–база, т.к. тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается.

При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) – соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. И наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в базе. Этот процесс называют рассасыванием неосновных носителей заряда в базе.

Рассмотрим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током i_{к. упр.}. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует, поэтому где a–коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора. При нормальных токах он может иметь значения от 0,950 до 0,998. Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе а к 1.

Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток i_к0 (рис. 5.6). Этот ток называют еще начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

(5.1)

Рис. 5.6. Направления токов в транзисторе

Во многих случаях и поэтому можно считать, что .

Преобразуем формулу (5.1)

Выразим:

Обозначим и тогда

;(5.2)

здесь – коэффициент передачи тока базы и составляет несколько десятков. Например, если a=0,95, а если a=0,99, то

Т. е. при увеличении a на 0,04, b увеличился в пять раз.

Выразим а через b:

Следует заметить, что коэффициент a не является строго постоянным. Он зависит от режима работы транзистора, в частности от тока эмиттера. При малых и больших токах a уменьшается, а при некотором среднем значении тока достигает максимума. В пределах рабочих значений тока эмиттера зменяется сравнительно мало.

Коэффициент b изменяется в зависимости от режима работы транзистора гораздо больше, нежели коэффициент a. При некотором среднем значении тока эмиттера коэффициент b максимален, а при меньших и больших токах он снижается, причем иногда в несколько раз.

Ток i_к-э0 называют начальным сквозным током, т.к. он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n–p–перехода) в том случае, если i_б=0, т.е. оборван провод базы. Из (5.2) при i_б=0 получаем i_к=i_к-э0. Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора i_к0.

или а т.к. , то

Сравнительно большой ток i_к-э0 объясняется тем, что некоторая часть напряжения U_к-э, приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напряжения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения U_к-э, ток i_к-э0 резко возрастает и происходит электрический пробой.

3. Усиление с помощью транзистора

Рассмотрим схему усилительного каскада с транзистором n–p–n типа (рис. 5.7). Эта схема называется схемой с общим эмиттером (ОЭ), т.к. эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы.

Рис. 5.7. Схема включения транзистора с ОЭ

Входное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база – эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника E₁, которое является прямым напряжением для эмиттерного перехода. Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника E₂. Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка R_н.

C₁ – конденсатор большой емкости необходим для того, чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника E₁. C₂ – необходим для того, чтобы не было потери части выходного усиленного напряжения на внутреннем сопротивлении источника E₂.

Рассмотрим эквивалентную схему коллекторной цепи (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Эквивалентная схема коллекторной цепи при включении транзистора с ОЭ

Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Напряжение источника E₂ делится между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением транзистора r₀, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода r_к0 для постоянного тока. В действительности к сопротивлению r_к0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также n– и p–областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода r_к0. Тогда напряжение источника E₂ будет перераспределяться между R_н и r_к0. При этом переменное напряжение на peзиcтopе нагрузки R_н может быть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в данной схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности.

Для большей наглядности рассмотрим работу усилительного каскада с транзистором на числовом примере. Пусть питающие напряжения E₁ = 0,2 В и E₂ = 12 В, сопротивление резистора нагрузки R_н = 4 кОм и сопротивление транзистора r₀ при отсутствии колебаний на входе также равно 4 кОм, т.е. полное сопротивление коллекторной цепи равно 8 кОм. Тогда ток коллектора, который можно приближенно считать равным току эмиттера, составляет

Напряжение E₂ разделится пополам, напряжение на R_н и на r₀ будет по 6 В.

Пусть oт источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В. Максимальное напряжение на участке база – эмиттер при положительной полуволне становится равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастает до 2,5 мА. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создаст на резисторе нагрузки падение напряжения 2,5·4=10 В, а падение напряжения на сопротивлении r₀ транзистора уменьшится до 12–10 = 2 В. Следовательно, это сопротивление уменьшится до 2:2,5 = 0,8 кОм.

Через полпериода, когда источник колебаний даст напряжение, равное – –0,1 В, произойдем обратное явление. Минимальное напряжение база – эмиттер станет 0,2–0,1=0,1 В. Токи эмиттера и коллектора уменьшатся до 0,5 мА. На резисторе R_н падение напряжения уменьшится до 0,5·4=2 В, а на сопротивлении r₀ оно возрастет до 10 В. Следовательно, это сопротивление увеличится до 10:0,5=20 кОм.

Таким образом, подача на вход транзистора переменного напряжения с амплитудой 0,1 В вызывает изменение сопротивления от 0,8 до 20 кОм. При этом напряжения на резисторе нагрузки и на транзисторе изменяются на 4 В в ту и другую сторону (от 10 до 2 В). Следовательно, выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В, т. е. оно в 40 раз больше входного напряжения. Этот числовой пример является приближенным, так как на самом деле зависимость между током коллектора и входным напряжением нелинейна.

Следующие уравнения:

входное напряжение ;

напряжение на участке база – эмиттер где ;

ток коллектора

напряжение на нагрузке

где и

напряжение на выходе

где

3.1. Схемы включения транзисторов (ОБ, ОК, ОЭ)

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Во избежание ошибок при этом надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Не следует рассматривать вход и выход по постоянному напряжению.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Принцип усиления колебаний во всех этих каскадах одинаков, но свойства схем различны.

3.2. Схема с общим эмиттером (ОЭ)

Эта схема изображена на рис. 5.7 и является наиболее распространенной, т.к. она дает наибольшее усиление по мощности.

Коэффициент усиления по току k_i – это отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы:

.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме ОЭ характеризует один из главных его параметров – статический коэффициент усиления по току (или коэффициент передачи тока) для схемы ОЭ, обозначаемый b. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки (R_н=0), т. е. при постоянном напряжении участка коллектор-эмиттер:

, при u_к-э=const.

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база - эмиттер U_б-э, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки U_R, что соответствует напряжению между коллектором и эмиттером U_к-э:

Коэффициент усиления каскада по мощности k_p представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каждая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих токов и напряжений:

поэтому

Важной величиной для транзистора является его входное сопротивление, которое определяется по закону Ома. Для схемы ОЭ

Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинство схемы ОЭ – удобство питания ее от одного источника, поскольку на коллектор и базу подаются питающие напряжения одного знака.

Недостатки данной схемы – худшие по сравнению со схемой ОБ частотные и температурные свойства. С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается в значительно большей степени, нежели в схеме ОБ. Режим работы схемы ОЭ сильно зависит от температуры.

Схема с общей базой (ОБ)

Схема с ОБ показана на рис. 5.10. Эта схема дает значительно меньшее усиление no мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы ОЭ.

Коэффициент усиления по току каскада ОБ всегда несколько меньше единицы:

.к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока), для схемы ОБ обозначается a. Он определяется для режима без нагрузки (R_н=0), т. е. при постоянном напряжении коллектор-база:

, при u_к-б=const.

Чем ближе a к 1, тем лучше транзистор. Коэффициент усиления по току k_i, для каскада ОБ всегда немного меньше а, т.к. при включении R_н ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по напряжению определяется формулой:

Коэффициент усиления по мощности k_p=k_i · k_u. Поскольку , то .

Входное сопротивление для схемы ОБ:

Входное сопротивление получается в десятки раз меньшим, чем в схеме ОЭ, поскольку напряжение U_mб-э равно напряжению U_mэ-б, а ток I_mэ в десятки раз больше тока I_mб.

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Достоинство данной схемы включения в том, что каскад по схеме ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме ОЭ.

3.3. Схема с общим коллектором (ОК)

Схема с ОК показана на рис. 5.11. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Входное напряжение равно сумме переменного напряжения база-эмиттер u_б-э и выходного напряжения:

Коэффициент усиления по току каскада ОК определяется по формуле:

и имеет почти такое значение, как и в схеме ОЭ.

Отношение – есть коэффициент усиления по току для схемы ОЭ.

Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее:

Коэффициент усиления по мощности .

Фазового сдвига между u_вых и u_в нет, поскольку выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. Данная схема включения транзистора называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным потому, что резистор нагрузки включен в провод эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса).

Входное сопротивление каскада по схеме ОК определяется по формуле

Важным достоинством данной схемы включения является высокое входное сопротивление.