5.2. Основные соотношения для токов. Коэффициент передачи тока

Из рассмотрения принципа действия транзистора следует, что ток коллектора составляет лишь часть тока эмиттера (i_Э развет­вляется на два тока: I_K и I_Б):

(5.1)

Отношение тока коллектора к току эмиттера:

(5.2)

называют коэффициентом передачи тока. Коэффициент  отражает эффективность взаимодействия р-п переходов в транзисторе и ко­личественно равен доле инжектированных эмиттером дырок, достиг­ших коллекторного перехода. Равенства (5.1 и 5.2) являются ос­новными для транзистора и выполняются при любых режимах тран­зистора, т.к. они отражают основные процессы в транзисторе. Из этих равенств вытекает и условие для тока базы:

(5.3)

Качество транзистора тем лучше, чем меньше дырок рекомбинирует в базе и чем больше их достигает коллектора, т.е. чем ближе к единице коэффициент . Для уменьшения интенсивности рекомбина­ции базу делают, по возможности, очень тонкой, чтобы толщина ба­зы W была много меньше средней длины диффузии неосновных носи­телей в базе:

(5.4)

Теория транзистора устанавливает непосредственно связь ве­личины  с величинами L и W /2/:

Это выражение при выполнении (5.4) может быть упрощено (разложе­нием в ряд) и представлено в более удобном для практического ис­пользования виде:

(5.5)

Коэффициент , называемый коэффициентом инжекции, представля­ет отношение дырочной составляющей тока эмиттера к полному то­ку эмиттера:

Как правило, он близок к единице. В дальнейшем он всегда прини­мается равным единице.

Современная технология позволяет изготовлять транзисторы с шириной базы в единицы (и доли) микрометра и с коэффициентом , равным 0,95 — 0,99. Ток базы (т.е. ток рекомбинации) при этом составляет (0,05‑0,001) I_Э.

5.2.1. Возможность усиления тока транзистором

Хотя ток коллектора меньше тока эмиттера ( < 1), но имен­но этот процесс управления током коллектора при помощи тока эмит­тера лежит в основе усиления. На возможность усиления указывает уже то обстоятельство, что в цепи эмиттера ток протекает при очень малом напряжении (десятые доли вольта), а в коллекторной цепи напряжение на порядок больше и мощность в коллекторной цепи может значительно превышать мощность в эмиттерной цепи. Реальные усилительные схемы, кроме транзисторов, содержат ряд других элементов (резисторов, конденсаторов и др.) и являются более сложными устройствами.

Они будут подробно рассмотрены далее.

Неучтенные потоки носителей. Кроме рассмотренных основных потоков носителей имеют место потоки носителей, не влияющие на величину тока коллектора, т.е. не участвующие во взаимодействии:

1. Ток инжекции из базы в эмиттер. При прямом смещении эмиттерного перехода происходит также инжекция электронов из базовой области в эмиттерную. В эмиттерной области эти электроны рекомбинируют с дырками. Уход электронов из базы восполняется через базовый вывод, т.е. инжекция электронов в эмиттер увели­чивает ток базы. Инжекция электронов учитывается коэффициентом инжекции  в (5.5). Чтобы  был близок к единице, эмиттерный переход выполняют односторонним: концентрация дырок в эмитте­ре намного превышает концентрацию электронов в базе (р_p»

n_n).

2. Токи поверхностной рекомбинации. Процессы рекомбинации на поверхности могут приводить к появлению эмиттерных токов поверхностной рекомбинации. Для уменьшения этого тока, а также тока утечки поверхность полупроводников тщательно обрабатыва­ют (полируют, травят и т.д.), а площадь коллектора делают значительно больше эмиттера, чтобы коллектор перехватывал весь поток дырок.

3. Ток рекомбинации дырок у базового вывода. Инжектирован­ные дырки, оказавшиеся в результате у базового вывода, рекомбинируют с электронами, увеличивая ток базы. Чтобы уменьшить или да­же исключить этот ток, базовый вывод располагают настолько дале­ко от эмиттера, что до него дырки практически не доходят.

4. Обратный ток коллекторного перехода I_К0. Этот ток увеличивает коллекторный ток. Однако он мал и очень мало изменяется.

5.2. Основные соотношения для токов. Коэффициент передачи тока

Из рассмотрения принципа действия транзистора следует, что ток коллектора составляет лишь часть тока эмиттера (i_Э развет­вляется на два тока: I_K и I_Б):

(5.1)

Отношение тока коллектора к току эмиттера:

(5.2)

называют коэффициентом передачи тока. Коэффициент  отражает эффективность взаимодействия р-п переходов в транзисторе и ко­личественно равен доле инжектированных эмиттером дырок, достиг­ших коллекторного перехода. Равенства (5.1 и 5.2) являются ос­новными для транзистора и выполняются при любых режимах тран­зистора, т.к. они отражают основные процессы в транзисторе. Из этих равенств вытекает и условие для тока базы:

(5.3)

Качество транзистора тем лучше, чем меньше дырок рекомбинирует в базе и чем больше их достигает коллектора, т.е. чем ближе к единице коэффициент . Для уменьшения интенсивности рекомбина­ции базу делают, по возможности, очень тонкой, чтобы толщина ба­зы W была много меньше средней длины диффузии неосновных носи­телей в базе:

(5.4)

Теория транзистора устанавливает непосредственно связь ве­личины  с величинами L и W /2/:

Это выражение при выполнении (5.4) может быть упрощено (разложе­нием в ряд) и представлено в более удобном для практического ис­пользования виде:

(5.5)

Коэффициент , называемый коэффициентом инжекции, представля­ет отношение дырочной составляющей тока эмиттера к полному то­ку эмиттера:

Как правило, он близок к единице. В дальнейшем он всегда прини­мается равным единице.

Современная технология позволяет изготовлять транзисторы с шириной базы в единицы (и доли) микрометра и с коэффициентом , равным 0,95 — 0,99. Ток базы (т.е. ток рекомбинации) при этом составляет (0,05‑0,001) I_Э.

5.2.1. Возможность усиления тока транзистором

Хотя ток коллектора меньше тока эмиттера ( < 1), но имен­но этот процесс управления током коллектора при помощи тока эмит­тера лежит в основе усиления. На возможность усиления указывает уже то обстоятельство, что в цепи эмиттера ток протекает при очень малом напряжении (десятые доли вольта), а в коллекторной цепи напряжение на порядок больше и мощность в коллекторной цепи может значительно превышать мощность в эмиттерной цепи. Реальные усилительные схемы, кроме транзисторов, содержат ряд других элементов (резисторов, конденсаторов и др.) и являются более сложными устройствами.

Они будут подробно рассмотрены далее.

Неучтенные потоки носителей. Кроме рассмотренных основных потоков носителей имеют место потоки носителей, не влияющие на величину тока коллектора, т.е. не участвующие во взаимодействии:

1. Ток инжекции из базы в эмиттер. При прямом смещении эмиттерного перехода происходит также инжекция электронов из базовой области в эмиттерную. В эмиттерной области эти электроны рекомбинируют с дырками. Уход электронов из базы восполняется через базовый вывод, т.е. инжекция электронов в эмиттер увели­чивает ток базы. Инжекция электронов учитывается коэффициентом инжекции

 в (5.5). Чтобы  был близок к единице, эмиттерный переход выполняют односторонним: концентрация дырок в эмитте­ре намного превышает концентрацию электронов в базе (р_p»n_n).

2. Токи поверхностной рекомбинации. Процессы рекомбинации на поверхности могут приводить к появлению эмиттерных токов поверхностной рекомбинации. Для уменьшения этого тока, а также тока утечки поверхность полупроводников тщательно обрабатыва­ют (полируют, травят и т.д.), а площадь коллектора делают значительно больше эмиттера, чтобы коллектор перехватывал весь поток дырок.

3. Ток рекомбинации дырок у базового вывода. Инжектирован­ные дырки, оказавшиеся в результате у базового вывода, рекомбинируют с электронами, увеличивая ток базы. Чтобы уменьшить или да­же исключить этот ток, базовый вывод располагают настолько дале­ко от эмиттера, что до него дырки практически не доходят.

4. Обратный ток коллекторного перехода I_К0. Этот ток увеличивает коллекторный ток. Однако он мал и очень мало изменяется.

17.5. Коэффициент передачи тока эмиттера биполярного транзистора в схеме с об

Итак, для улучшения работы транзистора необходимо стремиться к тому, чтобы коэффициенты γ и β_n были близки к единице. Однако их нельзя измерить, а можно только рассчитать теоретически. Поэтому для расчетов вводят коэффициент передачи тока эмиттера (статический)

(17.8)

где I_Kр — дырочный ток коллектора, I_Э — ток эмиттера. Этот коэффициент можно измерить, а его значение равно

Сучетом (17.8)

(17.9)

(17.10)

Из (17.9) видно, что, изменяя ток эмиттера, можно управлять током коллектора.

При работе транзистора на переменном токе вводят понятие диф­ференциального коэффициента усиления тока, который определяется через приращения токов входной и выходной цепей транзистора. Для схемы с ОБ дифференциальный коэффициент усиления тока

(17.11)

Если (17.9) продифференцировать по I_Э, то получим

Зависимость тока коллектора от тока эмиттера в активном режиме практически линейна, поэтому можно считать, что дифференциальный и статический коэффициенты усиления тока приблизительно равны. Если зависимость между коллекторным и эмиттерным токами нели­нейна, то α_ст ≠ α_диф.

17.6. Коэффициент передачи тока базы биполярного транзистора в схеме с оэ

В схеме с ОЭ входным является ток базы I_Б, а выходным — ток коллектора I_K. Определить коэффициент передачи тока базы можно из соотношения I_К = α_стI_Э + I_Ко, если подставить в него I_Э=I_Б+I_К. Тогда откуда

— статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, выраженный через статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ;

(17.15)

— обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ. Значение β_ст можно получить из (17.13) и (17.15):

(17.16)

По аналогии с α_диф (17.11), дифференциальный коэффициент передачи тока базы

(17.17)

Из уравнения (17.13) имеем

(17.18)

Если (dβ_cт/dI_Б) = 0, то β_диф = β_ст. В дальнейшем будем считать β_ст = β_диф = β. Коэффициент β является важнейшим параметром тран­зисторов.

Из уравнения (17.14) следует, что схема с ОЭ обеспечивает большое усиление по току. Так, если α = 0,985, то β = 66; при α = 0,990 β = 99.

17.7. Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т. е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением R_K, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.

Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изме­нение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если R_K велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔU_Э вызовет изме­нение эмиттерного тока на ΔI_Э = ΔU_Э/R_Э. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔI_K = ΔU_Э, а напряжение на нагрузке изменится на ΔU_K = R_KΔI_K ≈ R_KΔI_Э. Если подставить в ΔU_К значение ΔI_Э, то ΔU_K = R_KΔU_Э/R_Э, откуда видно, что приращение напряжения на R_K больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в R_K/R_Э раз. А так как R_K >> R_Э, то ΔU_К >> ΔU_Э.

Приращение входной мощности ΔР_ВХ = R_ЭΔI_Э², а приращение выходной мощности ΔР_вых = R_KΔI_K² ≈ R_KΔI_Э² = R_K*ΔP_вх/R_Э, т. е. оно больше ΔР_вх в R_K/R_Э раз. Следовательно, ΔP_вых >> ΔP_вх.

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход по­дается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на коллектор (даже малое), приводит к большим изменениям (колеба­ниям) переменного напряжения сигнала на резисторе R_K, т. е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

Схема с ОЭ. Здесь происходит усиление и по току, и по напря­жению. Входным током является ток базы, значительно меньший тока эмиттера. Изменяя входное напряжение, меняем высоту потенциального барьера и число основных носителей заряда эмиттера через базу и соответственно через коллектор. Так как в базу от источника поступает меньше носителей, чем инжектируется из эмиттера в базу и коллектор, то незначительное увеличение тока во входной цепи вызывает сущест­венное изменение тока в выходной цепи.

Таким образом, транзистор, включенный по схеме с ОЭ, характе­ризуется большим усилением по току. При этом имеется и усиление по напряжению: так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить резистор R_K с большим сопротивлением, напряжение на котором будет больше, чем входное. Соответственно происходит и усиление по мощности.

В схеме с ОК происходит усиление по току и по мощности, усиления по напряжению нет.

коэффициент передачи по току — это… Что такое коэффициент передачи по току?



коэффициент передачи по току

 

коэффициент передачи по току
—
[Я.Н.Лугинский, М.С.Фези-Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо-русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.]

Тематики

• электротехника, основные понятия

Справочник технического переводчика. – Интент. 2009-2013.

• коэффициент передачи по напряжению интегральной микросхемы
• коэффициент передачи по току оптопары

Смотреть что такое «коэффициент передачи по току» в других словарях:

• коэффициент передачи по току оптопары — коэффициент передачи по току KI CTR Отношение разности выходного тока и тока утечки на выходе оптопары к вызвавшему его входному току. [ГОСТ 27299 87] Тематики полупроводниковые приборы Обобщающие термины параметры оптопар, оптоэлектронных… …   Справочник технического переводчика

• Коэффициент передачи по току оптопары — 63. Коэффициент передачи по току оптопары Коэффициент передачи по току Current transfer ratio KI Отношение разности выходного тока и тока утечки на выходе оптопары к вызвавшему его входному току Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Коэффициент передачи по току оптопары — 1. Отношение разности выходного тока и тока утечки на выходе оптопары к вызвавшему его входному току Употребляется в документе: ГОСТ 27299 87 Приборы полупроводниковые оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров …   Телекоммуникационный словарь

• коэффициент отражения по току — Отношение комплексной амплитуды тока отраженной волны к комплексной амплитуде тока падающей волны в заданном сечении линии передачи. [ГОСТ 18238 72] Тематики линии передачи сверхвысоких частот …   Справочник технического переводчика

• Коэффициент отражения по току — 33. Коэффициент отражения по току Отношение комплексной амплитуды тока отраженной волны к комплексной амплитуде тока падающей волны в заданном сечении линии передачи Источник: ГОСТ 18238 72: Линии передачи сверхвысоких частот. Термины и… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Коэффициент отражения по току — 1. Отношение комплексной амплитуды тока отраженной волны к комплексной амплитуде тока падающей волны в заданном сечении линии передачи Употребляется в документе: ГОСТ 18238 72 Линии передачи сверхвысоких частот. Термины и определения …   Телекоммуникационный словарь

• коэффициент передачи пьезоэлектрического (электромеханического) фильтра — (Kпер, Kt) Отношение напряжения и тока на выходном нагрузочном сопротивлении пьезоэлектрического (электромеханического) фильтра к напряжению (току) на входном нагрузочном сопротивлении. [ГОСТ 18670 84] Тематики электрические фильтры EN… …   Справочник технического переводчика

• коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала — Отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока в режиме короткого замыкания выходной цепи по переменному току. Обозначение h31 h31 Примечание В схеме с общей базой или общим эмиттером добавляется индекс соответственно …   Справочник технического переводчика

• коэффициент передачи транзистора по току в схеме с общей базой — bendrabazės tranzistoriaus grandinės srovės perdavimo koeficientas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. grounded base current gain vok. Stromverstärkungsfaktor von Bipolartransistoren in Basisschaltung, m rus. коэффициент… …   Radioelektronikos terminų žodynas

• Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала — 16. Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала D. Kleinsignalstromverstärkung E. Small signal value of the short circuit forward current transfer ratio F. Valeur du rapport de transfert direct du courant, sortie en… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

17.5. Коэффициент передачи тока эмиттера биполярного транзистора в схеме с об

Итак, для улучшения работы транзистора необходимо стремиться к тому, чтобы коэффициенты γ и β_n были близки к единице. Однако их нельзя измерить, а можно только рассчитать теоретически. Поэтому для расчетов вводят коэффициент передачи тока эмиттера (статический)

(17.8)

где I_Kр — дырочный ток коллектора, I_Э — ток эмиттера. Этот коэффициент можно измерить, а его значение равно

Сучетом (17.8)

(17.9)

(17.10)

Из (17.9) видно, что, изменяя ток эмиттера, можно управлять током коллектора.

При работе транзистора на переменном токе вводят понятие диф­ференциального коэффициента усиления тока, который определяется через приращения токов входной и выходной цепей транзистора. Для схемы с ОБ дифференциальный коэффициент усиления тока

(17.11)

Если (17.9) продифференцировать по I_Э, то получим

Зависимость тока коллектора от тока эмиттера в активном режиме практически линейна, поэтому можно считать, что дифференциальный и статический коэффициенты усиления тока приблизительно равны. Если зависимость между коллекторным и эмиттерным токами нели­нейна, то α_ст ≠ α_диф.

17.6. Коэффициент передачи тока базы биполярного транзистора в схеме с оэ

В схеме с ОЭ входным является ток базы I_Б, а выходным — ток коллектора I_K. Определить коэффициент передачи тока базы можно из соотношения I_К = α_стI_Э + I_Ко, если подставить в него I_Э=I_Б+I_К. Тогда откуда

— статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ, выраженный через статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ;

(17.15)

— обратный ток коллекторного перехода в схеме с ОЭ. Значение β_ст можно получить из (17.13) и (17.15):

(17.16)

По аналогии с α_диф (17.11), дифференциальный коэффициент передачи тока базы

(17.17)

Из уравнения (17.13) имеем

(17.18)

Если (dβ_cт/dI_Б) = 0, то β_диф = β_ст. В дальнейшем будем считать β_ст = β_диф = β. Коэффициент β является важнейшим параметром тран­зисторов.

Из уравнения (17.14) следует, что схема с ОЭ обеспечивает большое усиление по току. Так, если α = 0,985, то β = 66; при α = 0,990 β = 99.

17.7. Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т. е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением R_K, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.

Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изме­нение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если R_K велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔU_Э вызовет изме­нение эмиттерного тока на ΔI_Э = ΔU_Э/R_Э. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔI_K = ΔU_Э, а напряжение на нагрузке изменится на ΔU_K = R_KΔI_K ≈ R_KΔI_Э. Если подставить в ΔU_К значение ΔI_Э, то ΔU_K = R_KΔU_Э/R_Э, откуда видно, что приращение напряжения на R_K больше приращения напряжения в эмиттерной цепи в R_K/R_Э раз. А так как R_K >> R_Э, то ΔU_К >> ΔU_Э.

Приращение входной мощности ΔР_ВХ = R_ЭΔI_Э², а приращение выходной мощности ΔР_вых = R_KΔI_K² ≈ R_KΔI_Э² = R_K*ΔP_вх/R_Э, т. е. оно больше ΔР_вх в R_K/R_Э раз. Следовательно, ΔP_вых >> ΔP_вх.

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход по­дается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на коллектор (даже малое), приводит к большим изменениям (колеба­ниям) переменного напряжения сигнала на резисторе R_K, т. е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

Схема с ОЭ. Здесь происходит усиление и по току, и по напря­жению. Входным током является ток базы, значительно меньший тока эмиттера. Изменяя входное напряжение, меняем высоту потенциального барьера и число основных носителей заряда эмиттера через базу и соответственно через коллектор. Так как в базу от источника поступает меньше носителей, чем инжектируется из эмиттера в базу и коллектор, то незначительное увеличение тока во входной цепи вызывает сущест­венное изменение тока в выходной цепи.

Таким образом, транзистор, включенный по схеме с ОЭ, характе­ризуется большим усилением по току. При этом имеется и усиление по напряжению: так как выходное сопротивление велико, в цепь коллектора можно включить резистор R_K с большим сопротивлением, напряжение на котором будет больше, чем входное. Соответственно происходит и усиление по мощности.

В схеме с ОК происходит усиление по току и по мощности, усиления по напряжению нет.

Коэффициента передачи по току

Модуль коэффициента передачи по току ирассчитывается по показаниям амперметров.

Задание на лабораторную работу

1. С помощью схемы (рисунок 53) получить семейство входных характеристик транзистора при значениях от 0,5 до 10 В и семейство выходных характеристик приот 1,5 до 10 мА. Для транзисторов n-p-n типа изменить полярность источников тока и напряжения.

2. Сохранить измеренные значения в таблице Excel. Построить характеристики.

3. Проверить справедливость утверждения, что при =3… 5 В влияние этого напряжения на входную характеристику ничтожно мало.

4. Изменить схему включения транзистора на схему с общим эмиттером и получить семейство выходных характеристик при от 100 до 500 мкА

3. Рассчитать модуль коэффициента пе­редачи тока для двух схем и сравнить полученные значения.

Таблица 5

Задание на лабораторную работу №5

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Транзистор	2N3702	2N3703	2N4061	2N4062	2N2712	2N2714	2N2923	2N2924	2N5086	2N5087

№ варианта	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
Транзистор	PN2906	PN2907	PN3638	PN3640	2N3711	2N3859	2N3860	2N3903	PN4121	PN4122

Контрольные вопросы

1. Устройство и работа биполярного транзистора.

2. Схемы включения биполярных транзисторов.

3. Основные характеристики и параметры биполярных транзисторов.

4. Малосигнальные параметры транзисторов и параметры для больших сигналов.

5. Параметры предельных режимов биполярных транзисторов.

Лабораторная работа № 8.

Исследование полевых транзисторов

Основное отличие полевых транзисторов от биполярных

Первоначальное название полевых транзисторов — униполярные транзисто­ры — было связано с тем, что в таких транзисторах используется основные носители только одного типа (электроны или дырки).

Основные процессы в полевых транзисторах

Процессы инжекции и диффузии в та­ких транзисторах практически отсутствуют, во всяком случае, они не играют прин­ципиальной роли. Основным способом движения носителей является дрейф в электрическом поле.

Способы управления током

Для того чтобы управлять током в полупроводнике при постоянном электри­ческом поле, нужно изменять удельную проводимость полупроводникового слоя или его площадь. На практике используются оба способа и основаны они на эффекте поля (управление напряжением на затворе). Поэтому униполярные транзисторы обычно называют полевыми транзисторами.

Приповерхностные и объемные каналы

Проводящий слой, по которому протекает ток, называют каналом. Отсюда еще одно название такого класса транзисто­ров — канальные транзисторы. Каналы могут быть приповерхностными и объемными.

Приповерхностные ка­налы представляют собой либо обогащенные слои, обусловленные наличием донорных примесей в диэлектрике, либо инверсионные слои, образующиеся под действием внешнего поля.

Объемные каналы представляют собой участки одно­родного полупроводника, отделенные от поверхности обедненным слоем.

4.2. Зависимость коэффициента передачи по току о тока коллектора

При этом функционал коэффициента передачи по току преобразуется к виду:

β=F[Ik] Uкэ, Т˚С=const, (12)

График зависимости β о тока коллектора представлен на рис.9.

Рис.9. Зависимость коэффициента передачи по току от тока коллектора

При рассмотрении зависимости рис.9 необходимо учитывать, что I_k=α I_э+I_ko и выражение (10) записать в виде:

, (13)

Из теории работы биполярного транзистора следует, что ток эмиттера зависит от значения напряжения на переходе эмиттер – база I_э=f(U_бэ) и определяется током диффузии дырок через базу

, (14)

где е – заряд электрона; S – площадь перехода эмиттер – база; D_p – коэффициент диффузии дырок в базе; — градиент концентрации дырок в базе. Коэффициент диффузии связан с длиной диффузии соотношением:

, (15)

где τ – время жизни носителей заряда.

При увеличении напряжения эмиттер – база растет избыточная концентрация дырок на границе перехода эмиттер – база, возрастает градиент концентрации и увеличивается скорость движения носителей заряда в базе, что уменьшает рекомбинационные потери в базе и ведет к росту коэффициента передачи по току. В этом случае коэффициент диффузии дырок в базе определяется соотношением:

, (16)

где D_po – коэффициент диффузии при малом уровне инжекции дырок из эмиттера в базу. Поэтому на участке АВ рис.9 изменяется уровень инжекции дырок из эмиттера в базу, растет коэффициент диффузии (16) и длина диффузии L_p (15), что ведет к росту коэффициента передачи по току и в точке В он принимает максимальное значение β_max. Существует оптимальное значение тока коллектора I_{к опт}, при котором достигается β_max. Для маломощных биполярных транзисторов I_{к опт}(13) мА, а для мощных транзисторов -I_{к опт}(3080) мА.

При увеличении тока коллектора более I_{к опт} начинает сказываться уменьшение эффективности эмиттера γ (13) из–за уменьшения удельного электрического сопротивления базы ρ_б, которое определяется:

(17)

При малых значениях тока эмиттера (а равно и тока коллектора) дырочная составляющая электропроводности базы σ_бр имеет малое значение и ρ_б достаточно велико. При больших токах эмиттера, когда p_n>> n_n, увеличивается σ_бр и ρ_б уменьшается, а это приводит к уменьшению эффективности эмиттера γ, коэффициента α и в том числе коэффициента передачи по току биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером β ( участок ВС рис. 9 ). Изменение β на участке ВС рис.9 происходит достаточно плавно.

4.3. Зависимость коэффициента передачи по току от температуры окружающей среды

Для схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером: β=F[Т˚С] _{Uкэ, Ik =const}. В этом случае β оценивается величиной α из соотношения (10) с учетом зависимости длины диффузии дырок L_p (15). В выражении (15) с ростом Т˚С возрастает несколько время жизни носителей заряда и график зависимости β от температуры окружающей среды имеет линейный характер (рис.10).

Рис.10. Зависимость коэффициента передачи по току от температуры окружающей среды

5. Система н- параметров биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером

Система уравнений для Н-параметров биполярного транзистора представляется в виде:

(18)

А матрица Н-параметров:

(19)

Для биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером вхдным током является ток базы (I₁=I_вх =I_б), выходным током – ток коллектора (I₂=I_вых =I_к), входным напряжением – напряжение база – эмиттер (U₁=U_вх = U_бэ), выходным напряжением – напряжение коллектор – эмиттер (U₂=U_вых = U_кэ). Пи этом Н – параметры записываются в виде (с учетом связи с Н – параметрами биполярного транзистора в схеме включения с общей базой):

1. входное сопротивление – Н_11э:

, (20)

То есть H_11Э>> H_11Б и составляет значения сотни Ом, единицы кОм.

2. коэффициент обратной связи по напряжению – H_12Э.

(21)

3. коэффициент передачи по току – H_21Э.

(22)

4. выходная проводимость – H_22Э.

(23)