Селеновые выпрямители

 

Селеновые выпрямители создаются на основе выпрямляющих гетеропереходов Se – CdSe.

Структура такого гетероперехода показана на рис. На алюминиевую пластину последовательно вносятся слои никеля Ni, селена Se, кадмия Cd. При нанесении кадмия Cd происходит образование CdSe с проводимостью n – типа. Слой селена Se имеет проводимость p – типа.

Рис. 5.33

Такой гетеропереход характеризуется низкой плотностью прямого тока ~100 мА/см², что в 1000 раз меньше, чем у германиевых и кремниевых диодов. Обратное напряжение составляет ~60В. Вследствие большой емкости перехода Se выпрямители пригодны для работы только в области НЧ.

ВАХ селенового выпрямителя подобно ВАХ выпрямительных диодов.

Рис. 5.34

Несмотря на плохие параметры селена выпрямители, находят широкое применение, что объясняется их низкой стоимостью.

Промышленность выпускает селеновые выпрямительные столбы, содержащие до 1500 селеновых пластин, включенных последовательно (15ГЕ1440У-С). Такие столбы способны выдерживать напряжения до 40кВ. выпускаются также селеновые выпрямители с параллельным соединением пластин (140ГЖ24Я4У), которые позволяют получить прямой ток до 500А.

 

5.5.13. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

 

Светоизлучающий диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для отображения информации.

Светодиод (СИД) получают на основе p-n или гетеропереходов с выпрямляющей ВАХ.

Рис. 5.35

Излучение в области перехода вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока. При этом рекомбинирующий электрон переходит из ЗП в ВЗ с выделением кванта света с энергией hu» DW₃. Для получения квантов видимого света ширина ЗЗ должна составлять DW₃ ³ 1,7эВ. При DW₃ < 1,7эВ излучение находятся в инфракрасном диапазоне.

Такой величиной DW₃ обладают полупроводниковые соединения GaAsP с различным соотношением элементов 1,4 < DW₃ < 2. (цвета красный, зеленый).

Рис. 5.36

В обычных плоских переходах, кванты света поглощаются в кристалле полупроводника вследствие внутреннего отражения. Поэтому в СИД используют сферическую форму кристалла, либо плоский кристалл полупроводника вплавляют в сферическую каплю стекла или пластика, что снижает эффект внутреннего отражения.

Наряду со светодиодами промышленность выпускает полупроводниковые индикаторы – наборы СИД специальной формы.

 

6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ

6.1.ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ

 

Терморезистор – это резистор, в котором используется зависимость сопротивления от температуры.

Термистор – это терморезистор с отрицательным ТКС.

Термисторы используют эффект снижения сопротивления полупроводника с ростом температуры и описываются температурной характеристикой:

,

Рис. 6.1

где В – коэффициент температурной чувствительности.

К параметрам термисторов относятся:

- номинальное сопротивление при заданной температуре (20⁰С); (10 –100*10³Ом),

- В» 700 ¸ 1500⁰K,

- ТКС» -(0,8 ¸ 6)10^-2К^-1.

ВАХ термистора – это зависимость между током и напряжением в условиях теплового равновесия с окружающей средой.

Рис. 6.2

При малых токах термистор практически не нагревается – характеристика линейна.

При больших токах вследствие нагрева падение напряжения с ростом тока замедляется.

Промышленность выпускает специальные датчики лучистой энергии на основе термисторов – болометры.

Рис. 6.3

Один из термисторов нагревается инфракрасным излучением и его сопротивление является мерой лучистой энергии. Второй термистор служит для компенсации температуры окружающей среды.

Позистор – полупроводниковый терморезистор с положительным ТКС. У некоторых полупроводников наблюдается аномальная температурная характеристика (BaTiO₃ с примесями La,Ta).

Рис. 6.4

 

6.2. ВАРИСТОРЫ

 

Варистор – это полупроводниковый резистор с нелинейным сопротивлением.  

Рис. 6.5

 

ВАХ варистора аппроксимируют выражением: I = AU^b,

где A – коэффициент, b - коэффициент нелинейности варистора, и имеет вид

Рис. 6.6

Величина b также зависит от напряжения и температуры.

Рис. 6.7

Однако при небольших изменениях тока и напряжения можно считать, что b = const.

 

7. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ.

7.1.Фотопроводимость полупроводников.

 

Как известно, проводимость полупроводников определяется выражением

Эту проводимость, наблюдаемую при отсутствии освещения, называют темновой проводимостью.

При освещении вследствие поглощения квантов света происходит генерация пар носителей электрон-дырка. Поэтому концентрация носителей возрастает на  и , а величина  называется фотопроводимостью. При этом .

С прекращением освещения избыточные носители рассасываются, и проводимость полупроводника постепенно снижается до . Это явление называется релаксацией фотопроводимости.

Важнейшей характеристикой проводимости является спектральная характеристика – зависимость  от длины волны падающего света .

 

                                                      

1

                               

                     

 

                                             

                  

 

                                                                                                                                                           

2

Рис. 7.1

Участок 1 соответствует квантам высоких энергий, которые обеспечивают генерацию пар носителей заряда, , где - ширина запрещенной зоны. Участок 2 соответствует квантам с энергиями , , где ∆W_Д,  < - энергии ионизации донорных или примесных атомов.

 

7.2. ФОТОРЕЗИСТОРЫ

 

Фоторезисторы - это полупроводниковый двухполюсный прибор, сопротивление которого изменяется под действием света.

Действие фоторезистора основано на явлении фотопроводимости. Устройство и обозначение приведены на рис.

 

Рис. 7.2

Материалом для изготовления светочувствительного токопроводящего слоя служат: сернистый свинец PbS, селенид кадмия CdSe и др.

 

ВАХ фоторезистора зависит от освещенности Е.

 

 

                       I

                                                               

                                 

                                                         

                                   

                                                                                        

                                                                                U    

 

Рис.7.3

Световая или люкс-амперная характеристика показывает зависимость фототока от освещенности.

 

                

                              

 

 

                                                                                Е

Рис. 7.4

Спектральная характеристика фоторезистора – зависимость фототока от длины волны падающего света. Эта характеристика определяется материалом светочувствительного слоя.

 

          

          

 

            50% 

 

                                                                                    l

Рис. 7.5

 К важнейшим параметрам фоторезисторов относятся:

 

1. Удельная интегральная чувствительность .             

 

Она характеризует изменение проводимости под действием светового потока Ф.

 2. Постоянная времени – время, в течение которого фототок изменяется в  раз (на 63%) при освещении или затемнении фоторезистора. Эта величина характеризует быстродействие фоторезистора.

3. Темновое сопротивление – это сопротивление фоторезистора через 30 сек. после его затемнения (через 16 часов может измениться в 1000 раз).

 

7.3. ОБЛУЧЕНИЕ СВЕТОМ p-n ПЕРЕХОДА

 

Рассмотрим p-n переход, смещенный в обратном направлении и освещенный потоком квантов света.

 

                            

 

                   

                                       Ф

                                    Рис. 7.6

Пары носителей зарядов,

образующиеся в результате световой генерации, разделяются полем перехода – неосновные носители подхватываются полем и перебрасываются в противоположную область, основные носители задерживаются полем перехода. Поэтому происходит накопление нескомпенсированных носителей дырок в p-области, электронов в n-области, которые создают добавочную разность потенциалов, называемую фото-ЭДС. Величина фото-ЭДС зависит от светового потока Ф и составляет 0,1 – 1 В.

Фото-ЭДС направлена навстречу контактной разности потенциалов. Поэтому при освещении обратное смещение в p-n переходе уменьшается и через переход протекает ток, зависящий от величины светового потока Ф.

ВАХ освещенного p-n перехода определяется выражением

                        

где  - ток, создаваемый носителями, генерируемыми под действием света.

Величина фототока пропорциональна световому потоку                                        

где  - интегральная чувствительность p-n структуры.  

                      

7.6. ФОТОДИОДЫ

 

Фотодиоды - это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.

 Действие фотодиода основывается на управлении обратным током световым потоком. Устройство фотодиода и его обозначение показано на рисунке.

 

                                 линза

 

                                       п/п

 

                   __            

выводы

                                           Рис. 7.7

Фотодиоды выполняют на основе германия или кремния, а также на основе переходов металл – полупроводник и гетеропереходах.

ВАХ фотодиода снимаются при фиксированном световом потоке Ф и имеют вид

                                                 

                                             I

 

 

                                                                                 U       

                    Ф=0

                              

                     

Рис. 7.8

С ростом светового потока Ф растет обратный ток диода.

Световая характеристика фотодиода линейна (положительное свойство).

 

          

 

 

                                                                                     

                                                                       Ф 

Рис. 7.9

Спектральная характеристика подобна спектральной характеристике фоторезистора и зависит от материала полупроводника, наиболее широкая у диодов на гетеропереходах.

 

                

 

                                                                          

                                     

Рис. 7.10

 К основным параметрам фотодиода относятся:

- интегральная чувствительность ;

- постоянная времени t ~ 50 нСек, т.е. инерционность фотодиодов значительно меньше, чем инерционность фоторезисторов.

Для диодов на переходах металл- полупроводник t ~ 0,1- 0,01нСек.

 

7.7. ФОТОТРАНЗИСТОРЫ

 

Фототранзистор – биполярный транзистор, способный усиливать фототок.

Фототранзистор отличается от обычного биполярного наличием окна, через которое освещается база транзистора.

Под действием света в базе генерируются пары электрон-дырка. У коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, носители разделяются: электроны полем коллекторного перехода перебрасываются в коллектор, увеличивая ток коллектора, а дырки остаются в базе. Накапливающийся в базе заряд дырок увеличивает прямое смещение эмиттерного перехода.

 Поэтому возрастает инжекция электронов, которая приводит к росту тока коллектора. Таким образом, происходит усиление фототока.

 

 

                                     

                   

 

                       Б

                                       

 

Рис. 7.11

Ток коллектора определяется выражением:

Откуда следует, что интегральная чувствительность фототранзистора в (b+1) раз выше, чем у фотодиода.

Схема со свободной базой обладает наибольшей чувствительностью к свету, но не стабильна. Для термостабилизации к внешней цепи подключают вывод базы, но при этом проигрывают в чувствительности.

При подключении вывода базы к внешней схеме заряд, накопленный в базе, может уходить во внешнюю цепь. При этом снижается влияние светового потока на инжекцию из эмиттера – усиление фототока падает.

ВАХ фототранзистора подобны ВАХ биполярного транзистора. Например выходные ВАХ, имеют вид:

 

                    

                                                             

                                                                          

                              

                                                                   

                                                                      

                                                                              

Рис. 7.12

Но снимаются они при фиксированном световом потоке Ф. Световая и спектральная характеристика фоторезистора подобны характеристикам фотодиода. К числу параметров фототранзисторов относятся обычные параметры биполярных транзисторов, а также интегральная чувствительность . Используются в основном в оптронах.

 

7.6. ФОТОТИРИСТОРЫ

 

Работают аналогично обычным тиристорам. Однако накопление неравновесных зарядов в фототиристоре может происходить и под действием света. Поэтому, фототиристор является аналогом управляемого тиристора, управление которым осуществляется светом, предназначены для работы в оптронах.

 

7.7. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА. ОПТОПАРЫ

 

Оптопарой называют оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприёмного элемента, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.

В качестве излучающего элемента обычно используется светодиод. В качестве приёмника излучения могут использоваться фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, однопереходный фототранзистор или фототиристор. Соответственно различают резисторные, диодные, транзисторные и тиристорные оптопары.

Конструктивно передатчик и приёмник излучения объединены в один корпус.

          

  

Вх                         Вых

 

Рис. 7.13

Принципы действия оптопары заключается в следующем. При изменении входного тока через светодиод изменяется интенсивность излучения. Поэтому изменяются свойства фоточувствительного приёмного элемента, которые определяют токи и напряжения в выходной цепи.

Оптопары способны усиливать входной сигнал за счёт энергии источника, включённого в выходную цепь. В качестве линейных усилителей могут использоваться резистивные, диодные и транзисторные оптопары.

Однако, вследствие высокой инерционности фоторезисторов, частотный диапазон резисторных оптопар ограничен областью низких и средних частот.

Тиристорные оптопары работают только как переключательные элементы.

Основное достоинство оптопар, обеспечивающее им широкое применение – гальваническая развязка входной и выходной цепей.

Например, удаленная связь между компьютерами; связь между низковольтными и высоковольтными системами.

Пример включения

 

            + Еп1           + Еп2                                                +Еп3                                                              

 

 

         R1                   R2                                                                R3

                                                                                                VT2             

                 VD1                                                   VD2                   Выход       

                 

                                            удаленное

                                             соединение         

 

 VT1     оптрон1                                            оптрон2

Вход

                                                 - Еп2                                               - Еп3

 

                      - Еп1

Рис. 7.14

 

8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

 

Биполярным транзистором называют трехполюсный электропреобразовательный полупроводниковый прибор с двумя выпрямляющими электрическими переходами, способный усиливать мощность за счет инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Транзисторы называются биполярными т.к. их работа основана на использовании носителей обеих полярностей – электронов и дырок.

 

8.1. УСТРОЙСТВО ТРАНЗИСТОРА

 

Устройство транзистора схематично показано на рис. 8.1.

Рис. 8.1

Транзистор представляет собой пластину полупроводника, в которой создано три области различной проводимости, разделенные двумя p-n переходами.

Одну из крайних областей транзистора легируют значительно сильнее, чем две другие. Эту область используют для инжекции свободных носителей и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой. Основное назначение третей области – коллектора – экстракция и выведение неосновных носителей из базы. Поэтому размеры коллектора больше, чем эмиттера.

В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Их обозначения приведены на рисунке.

Рис. 8.2

С точки зрения технологии изготовления различают сплавные, диффузионные и планарные транзисторы. В сплавных и диффузионных транзисторах крайние области создают с помощью вплавления или диффузии соответствующих примесей в базовую пластину полупроводника. В планарных (плоских) транзисторах чередование областей создают с помощью последовательной диффузии различных примесей.

Рис. 8.3

Коллектор двухслойный типа n⁺ n. Область n⁺ обеспечивает малое сопротивление коллекторной области, область n – малую емкость и высокое пробивное напряжение коллектора.

 

8.2. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

 

Каждый из p-n переходов транзистора может быть включен либо в прямом, либо в обратном направлении. Поэтому различают 3 режима работы транзистора:

1. Режим отсечки – оба p-n перехода смещены в обратном направлении, при этом через транзистор текут малые обратные токи переходов.

2. Режим насыщения – оба p-n перехода смещены в прямом направлении, при этом через транзистор протекают большие прямые токи p-n переходов (токи инжекции).

3. Активный режим. Это основной режим работы транзистора, он подразделяется на два подвида:

3.1 активный нормальный режим: эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный – в обратном,

3.2 активный инверсный режим: эмиттерный переход смещен в обратном направлении, коллекторный – в прямом.

Основное назначение транзистора – усиление мощности входного или управляющего сигнала (в этом смысле трансформатор не является усилителем, т.к. он усиливает либо только ток, либо напряжение). Усиление обеспечивает только активный режим работы транзистора, в котором транзистор может выполнять функции активного элемента для генерирования, усиление, переключения сигналов. В режиме отсечки и насыщения транзистор практически не управляем, т.е. не способен усиливать мощность.

Постоянные напряжения смещения к полюсам транзистора могут быть подключены тремя способами:

Рис. 8.4

В зависимости от электрода, потенциал которого принимается за общий, различают схемы включения с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).     

На рисунке представлены схемы включения p-n-p транзистора в активном нормальном режиме. Для n-p-n транзисторов полярности источников напряжения сменятся на обратные.

В подавляющем большинстве применений транзистора цепь базы или эмиттера является входной, т.к. к ним подводятся входные управляющие сигналы, а цепь коллектора – выходной, т.к. в неё включают сопротивление нагрузки.

 

8.3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНЗИСТОРА

 

Рассмотрим принцип действия n⁺-p-n транзистора. При отсутствии внешних напряжений вся система характеризуется единым уровнем Ферми. Поэтому энергетическая диаграмма имеет вид:

Рис. 8.5

Потенциальные барьеры на границах p-n переходов препятствует диффузионному движению носителей через переход. При этом дрейфовые токи основных и неосновных носителей через переходы равны и противоположны. Поэтому суммарные токи в каждом переходе равны нулю.

При подключении транзистора по схеме с ОБ в активном нормальном режиме энергетическая диаграмма изменится – потенциальный барьер в эмиттерном переходе уменьшится, а в коллекторном – увеличится. Энергетическая диаграмма примет вид:

Рис. 8.6

Вследствие снижения потенциального барьера на эмиттерном переходе из эмиттера в базу начинается диффузионное движение или инжекция электронов.

Поскольку область эмиттера легирована значительно сильнее, чем область базы (N_ДЭ » N_АБ), то инжекцией дырок из базы в эмиттер можно пренебречь. Поэтому ток эмиттера в основном определяется потоком инжекции электронов

I_Э » I_Эn+ I_Эp (т.к. ток направлен противоположно потоку электронов, то I_Э » - I_kЭ).

Вследствие инжекции концентрация электронов в области базы вблизи эмиттерного перехода резко возрастает. Появляется градиент концентрации электронов, который обуславливает диффузионное движение электронов в направлении коллекторного перехода. По мере продвижения к коллекторному переходу часть электронов будет рекомбинировать с дырками, являющимися основными носителями в базе. Вследствие рекомбинации возникает ток базы I_б.

В транзисторах ширина базы W_б выбирается так, чтобы диффузионная длина неосновных носителей L_n была значительно больше W_б (L_n >> W_б).

Поэтому подавляющая часть электронов (99%), инжектированных в базу, диффундирует к коллекторному переходу, не успевая рекомбинировать с дырками в базе. Вблизи коллекторного перехода электроны подхватываются ускоряющим полем коллекторного перехода и втягиваются в коллектор. Происходит экстракция электронов из базы в коллектор. Этот поток электронов образует ток коллектора I_к.

Легко заметить, что I_э = I_к + I_б

Для количественной оценки составляющих полного тока через эмиттерный переход используют коэффициент инжекции, так как  ,то коэффициент инжекции близок к единице :

Процессы рекомбинации носителей в базе, определяющие токи базы приход дырок из внешней цепи - ток в базу (дефицит при рекомбинации); движение дырок, число которых равно числу электронов, ушедших через коллекторный переход, направленное из базы) можно охарактеризовать коэффициентом переноса неосновных носителей через базу:

.

Коэффициент  тем ближе к единице, чем меньше толщина базы W_б по сравнению с диффузионной длиной электронов L_n.

Коэффициенты инжекции  и переноса рассчитываются теоретически.

Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители, инжектированные эмиттером, достигли бы коллектора. И ток I_э был бы равен току коллектора I_к.

Однако в действительности только часть  тока эмиттера составляют электроны и только их часть  доходит до коллекторного перехода. Поэтому ток коллектора, вызванный инжекцией неосновных носителей через эмиттерный переход определяется:

 

где , -коэффициент передачи эмиттерного тока (или коэффициент усиления по току),  не превышает единицы, т.к.  и  меньше 1 и составляет  0,99 0,96.

Кроме тока, вызванного инжектированием в базу неосновных носителей, через коллекторный переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток (ток насыщения, тепловой ток) I_кбо. Причины его возникновения те же, что и в одиночном р-n переходе. Поэтому результирующий ток коллекторной цепи .

Таким образом, в транзисторе через эмиттерный переход протекает управляющий входной ток I_э (цепь Э-Б), через коллекторный переход протекает управляемый (выходной) ток  и обратный ток коллектора I_кбo (в цепи К-Б), а через базу – разностной ток Э и К I_б. В реальных транзисторах незначительные смещения эмиттерного перехода в прямом направлении (U_эб) вызывают значительные изменения тока I_э, а следовательно и тока I_к, коллекторный переход смещен в обратном направлении и поэтому ток I_к  практически не зависит от U_кб , т.к. не зависимо от его величины, в коллектор переходят практически все электроны инжектированные эмиттером. Так как I_э  I_к, то усиление по току отсутствует, но, т.к. обычно  то на включенной в цепь коллектора нагрузке можно получить значительные изменения напряжения, т.е. получить усиление по напряжению и следовательно по мощности.

Биполярный транзистор является прибором, в котором входной ток управляет выходным, т.е. усилительным прибором с управлением по току.

В режиме насыщения оба перехода включены в прямом направлении. При этом инжекция носителей в базу происходит через оба перехода. Поэтому ток экстракции носителей из базы в коллектор снижается на величину тока инжекции из коллектора в базу. В базе наблюдается накопление носителей и их интенсивная рекомбинация. Вследствие этого ток базы сравним с током эмиттера. Усиление практически отсутствует.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направление и через переходы протекают только тепловые токи насыщения, а также токи утечки. Поэтому управление транзистором невозможно.

 

8.4. ОБЪЁМНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ БАЗЫ

 

Для снижения интенсивности рекомбинации инжектированных из эмиттера неосновных носителей базу транзистора изготовляют из слаболегированных полупроводников. Поэтому объемное сопротивление тела базы r_б имеет существенную величину (до 100 Ом). Ток базы, протекая через r_б приводит к снижению напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБэфф=U_ЭБ-I_б r_б, что заметно влияет на работу транзистора.

Величина r_б определяется формулой:

r_б ,

где - уд. сопротивление, - толщина базы.

Для снижения потерь инжектированных из эмиттера носителей стремятся уменьшить W_Б. Сужение канала протекания базового тока I_б, также приводит к увеличению r_б.

                       

_{Рис. 8.7}

 

8.5. МОДУЛЯЦИЯ ШИРИНЫ БАЗЫ ТРАНЗИСТОРА

 

Ширина запирающего слоя коллекторного перехода при обратных смещениях определяется формулой:

.

 Tак как концентрация акцепторных примесей Na мала (база слаболегирована), то толщина d_к значительна и простирается в основном в области базы. С ростом обратного смещения U_кб растет ширина запирающего слоя, а толщина базы W_б уменьшается. Этот эффект называют модуляцией ширины базы или эффект Эрли.

 

Рис. 8.8

Снижение W_Б ведет к увеличению градиента концентрации неосновных носителей в базе, что приводит к росту диффузионного тока I_э. Для уменьшения I_э до прежнего значения можно снизить прямое смещение U_эб. Тогда n_э уменьшиться и градиент примет прежнее значение.

Таким образом, вследствие эффекта Эрли I_э слабо зависит от U_кб. Для сравнения степени влияния U_кб и U_эб на ток эмиттера используют коэффициент обратной связи по напряжению:

 ,

т.е. напряжение U_кб слабо влияет на ток I_э и, следовательно, на ток I_к.

                       

8.6. КОЭФФИЦЕНТЫ ПЕРЕДАЧИ ТОКА В СХЕМАХ ОБ И ОЭ

 

С учетом обратного тока коллектора I_кбо, ток коллектора:

,

где величина  называется коэффициентом передачи тока эмиттера.

Величина  характеризует работу транзистора в схеме с ОБ. В современных транзисторах .

Как показывают измерения,  незначительно зависит от величины тока I_э.

Рис. 8.9

Переписывая выражение для тока I_к, получаем:

.

Откуда .

Величина  называется коэффициентом передачи тока базы и характеризует работу транзистора в схеме с ОЭ. В современных транзисторах 10 . В отличие от  величина β сильно зависит от тока эмиттера.

При активном инверсном режиме определяют также инверсные коэффициенты:

- для схемы с ОБ ,

-для схемы с ОЭ .

 

8.7. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ

 

Транзистор при включении по любой схеме может характеризоваться четырьмя семействами характеристик:

- входные характеристики I_вх = f (U_вх), U_вых – сonst,

- выходные характеристики I_вых = f (U_вых), I_вх – const,

- характеристики передачи то току I_вых = f (I_вх), U_вых – const (, ),

- характеристики обратной связи по напряжению U_вх = f (U_вых), I_вх – const ().

Семейство входных характеристик транзистора в схеме с ОБ с транзистора p-n-p типа:                                                       

I_Э =f (U_Э), U_К-const.

 

        

Рис. 8.10               

U_К - параметр семейства. ВАХ при U_К=0 аналогична ВАХ диода, I_Э экспоненциально увеличивается при увеличении U_ЭБ.

Увеличение отрицательных значений U_К вызывает смещение кривых влево. Это связано с эффектом Эрли. С увеличением U_КБ при постоянном I_Э прямое напряжение на эмиттере U_ЭБ уменьшается.

Семейство выходных характеристик транзистора в схеме с ОБ.

I_К = f (U_КБ), I_Э-const.

Характерная особенность выходных сигналов характеристик – слабая зависимость I_К от U_К.

При I_Э = 0 и U_К < 0 в цепи коллектора протекает обратный ток I_КО, величина которого слабо зависит от U_К.

Рис. 8.11

  При I_Э > 0 и U_К = 0 ток I_К может достигать значительной величины (инжектированные носители переносятся через базу и доходят до коллектора за счет диффузии). При U_К> 0 характеристики сильно изгибаются, (режим насыщения). Коллекторный переход включен в прямом направлении, возрастает ток инжекции из коллектора в базу, направленный встречно току экстракции коллектора, поэтому полный ток I_К уменьшается и достигает 0.

Семейство входных характеристик для транзистора в схеме ОЭ.

I_Б = f (U_БЭ), U_КЭ-const

_{Рис. 8.12}

Характеристики аналогичны характеристикам с ОБ. Расположение характеристик определяется U_КЭ. Однако характеристики, снятые для больших значений U_КЭ располагаются справа от характеристики для U_КЭ = 0 (отличие от ВАХ для ОБ). Смещение характеристик вправо при увеличении  связано с уменьшением общего количества неосновных носителей в базе, и, следовательно с уменьшением количества рекомбинирующих носителей (эффект Эрли).

 

Рис. 8.13

   Семейство выходных характеристик для транзистора в схеме ОЭ.

I_К = f (U_КЭ), I_Б-const

 

 

Рис. 8.14

По сравнению с выходными характеристиками схемы ОБ выходные характеристики схемы ОЭ имеют больший наклон (выше крутизна). Это объясняется более сильной зависимостью коэффициента передачи тока базы от U_КЭ.

Начальные участки всех характеристик выходят из начала координат, т.к. при U_КЭ= 0 ток через коллекторный переход отсутствует.

Смещение характеристик вверх связано с увеличением  при увеличении  при постоянстве U_К.

I_кос > I_КО, т.к. при = 0 существует небольшое U_ЭБ из-за U_ЭК  и I_K0  из-за инжекции увеличивается.

 

8.8. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДРЕЙФ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРА

 

Изменение температуры окружающей среды существенно влияет на статистические характеристики транзистора. Поскольку статические характеристики подобны ВАХ p-n перехода, то основной причиной температурной нестабильности, так же как в p-n переходе, является температурная зависимость обратных токов переходов и, в особенности, I_КБ0.

В гелиевых транзисторах основную долю тока I_КБ0 составляет тепловой ток насыщения, в кремниевых – ток термогенерации. Зависимость тока I_КБ0 от температуры имеет вид I_КБ0(t) ≈ I_КБ0(20⁰C) . То есть ток I_КБ0 удваивается при увеличении температуры на 10⁰C.

В схеме с ОБ температурный дрейф выходных характеристик не велик. Это объясняется следующим. Ток коллектора определяется выражением: .

Тогда при I_э = const , или относительное изменение

 

.

 

Рис. 8.15

Коэффицент α от температуры зависит слабо: при изменении температуры от t_{раб min} = - 60⁰C до t_{раб max} = 70⁰ + 125⁰C α изменяется на 3-5%.

Второй член , несмотря на сильную зависимость I_КБО от температуры, также мал, т.к. I_К >> I_КБО.

Температурный дрейф входных характеристик значителен входной ток I_Э  сильно возрастает с ростом температуры.

Рис. 8.16

В схеме с ОЭ входные характеристики существенно зависят от температуры.               I_К

Рис. 8.17

Так как , то при I_Б = const

т.е. β = 99 относительное изменение тока коллектора составляет уже 300-500%.

Выходные характеристики схемы с ОЭ, снятые при U_БЭ = const имеют значительно меньший температурный дрейф, т.к. больше соответствуют режиму I_Э = const (см. схему с ОБ). Поэтому для температурной стабилизации рабочего режима транзистора требуется стабилизировать напряжение смещения U_БЭ.

Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ также сильно зависят от температуры. Поскольку ток базы складывается из токов коллекторного и эмиттерного переходов, эта зависимость носит сложный характер.

В целом, схема с ОЭ в сравнении со схемой ОБ, сильнее подвержена влиянию температуры. Поэтому для схем с ОЭ обязательно необходимо предусматривать средства температурной стабилизации режима.

 

8.10. НЕЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ ТРАНЗИСТОРА

 

При расчете статического состояния электронных схем, транзистор заменяют эквивалентной схемой, учитывающей нелинейные свойства транзистора. Эта модель носит название модель Эберса-Молла и состоит их двух диодов – эмиттерного и коллекторного и двух источников тока, отображающих взаимодействие этих диодов.

Рис. 8.18

Токи эмиттера и коллектора определяются уравнениями:

, ,

 где - коэффициент передачи тока в активном инверсном режиме.

Токи диодов определяются их ВАХ:

, ,

где  и - начальные токи переходов.

В более точной модели учитывают сопротивления областей эмиттера – r_э, базы - r_Б и коллектора - r_К.

Дальнейшего уточнения модели достигают при учете эффекта модуляции ширины базы, т.е. .

 

8.10. ТРАНЗИСТОР КАК ЛИНЕЙНЫЙ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК

 

Токи и напряжения в транзисторе связаны нелинейными зависимостями. Поэтому в общем случае транзистор следует рассматривать как нелинейный четырехполюсник. Однако, при произвольных постоянных токах и напряжениях на электродах транзистора и воздействии малого сигнала статические характеристики транзистора могут быть линеаризованы в области рабочей точки.

Рис. 8.19

Например, линеаризация входной характеристики в области рабочей точки B эквивалентна замене экспоненциальной зависимости линией касательной в точке B. При этом нелинейные зависимости заменяются линейными, а транзистор характеризуется как линейный четырехполюсник.

Линеаризация характеристик допустима лишь при малых сигналах U₁, т.к. при больших сигналах  ошибка становится недопустимо большой. Поэтому параметры, характеризующие линеаризованный транзистор называют малосигнальными параметрами, а также дифференциальными параметрами, т.к. линеаризация выполняется касательными.

Рис. 8.20

Представление транзистора в виде эквивалентного линейного четырехполюсника широко используется в радиотехнических расчетах. При этом связь между изменениями токов ,  и напряжений и , в общем случае комплексными, описывается с помощью одной из трех систем параметров – Z, Y или H.

Причем, в зависимости от схемы включения транзистора, каждая система параметров определяется для схем ОБ, ОЭ, ОК отдельно.

 

8.11. СИСТЕМА Z – ПАРАМЕТРОВ

 

В этой системе: , где , и т.д. параметры имеют размерность сопротивления. Эти параметры измеряют в режиме разомкнутой цепи (холостого хода) по переменной составляющей. Вследствие сложности измерения этих параметров они практически не применяются.

 

8.12. СИСТЕМА Y – ПАРАМЕТРОВ

В этой системе: , где параметры y_ij – это проводимости, измеряемые в режиме короткого замыкания по переменной составляющей , и т.д.

Эта система параметров широко используется для описания высочастотных свойств транзистора, т.к. режим короткого замыкания на ВЧ реализуется достаточно просто.

 

8.13. СИСТЕМА Н – ПАРАМЕТРОВ

 

Наибольшее применение получила система h-параметров это смешанная система: , где

- входное сопротивление при КЗ по переменной составляющей на выходе,

- коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе,

- дифференциальный коэффициент передачи тока при КЗ по переменной составляющей на выходе,

- выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе по переменной составляющей.

Систему h-параметров широко используют на НЧ, когда пренебрежимо малы емкостные составляющие токов.

Значения h-параметров легко определяются по входным и выходным характеристикам транзистора. Для этого определяют рабочую точку на характеристиках и выполняют их линеаризацию вблизи рабочей точки. Воздействия токов и напряжений малого сигнала , , ,  моделируют (имитируют) небольшими отклонениями положения рабочей точки.

Например,

, .

Отметим, что параметр  совпадает с β, а  совпадает с α.

Параметры транзисторов в разных схемах включения однозначно связаны между собой. Всегда можно перейти от одной системы параметров к другой системе.

Вследствие сильной зависимости статических характеристик транзистора от температуры наблюдается также температурная зависимость малосигнальных параметров.

 

8.14. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОДОВ И ЕМКОСТИ ТРАНЗИСТОРОВ

 

Эмиттерный и коллекторный переходы характеризуются дифференциальными сопротивлениями:

; ,

 

где r_б - сопротивление тела базы.

Оба перехода обладают барьерной и диффузионной емкостью.

С_бЭ - шунтирована малым сопротивлением r_Э.

С_дЭ значительно превосходит С_бЭ, но ее учитывают в расчетах зависимости коэффициента передачи тока эмиттера от частоты.

Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (активный режим), то его С_дк меньше С_дЭ. Поэтому учитывают обычно С_бк. В справочниках обычно дается значение емкости коллекторного перехода С_кп измеренная между К и Б при отключенном эмиттере и обратном смещении на коллекторе, или емкость эмиттерного перехода.

 

 

8.15. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРА В ЛИНЕЙНОМ РЕЖИМЕ

 

Представление транзисторов в форме активного линейного четырехполюсника часто используют для расчета электронных схем. При этом транзистор заменяют эквивалентной электрической схемой, составленной из линейных элементов – R, C, L, генераторов тока и напряжения, которая по своим свойствам при заданном малом сигнале и в заданной рабочей точке не отличается от транзистора.

Различают формальные и физические эквивалентные схемы.

Формальные эквивалентные схемы строят на основе описания транзистора заданной системой параметров. Например, используя H-параметры транзистор можно представить эквивалентной схемой.

Рис. 8.21

 

 

Рис. 8.22

 

Такие эквивалентные схемы можно представить в виде Т и П – образных схем, содержащих 3 резистора и 1 источник тока или напряжения.

Физические эквивалентные схемы составляют с учетом физических процессов протекающих в транзисторе, элементы этих схем выражают конкретные параметры транзистора.

Эквивалентная схема транзистора в схеме с ОБ.

 

Рис. 8.23

Эмиттерный и коллекторный переходы представлены дифференциальным сопротивлениями r_Э и r_к.

Эффект передачи эмиттерного тока в цепь коллектора показан эквивалентным генератором тока αJ_Э.

Обратная связь по напряжению вследствие модуляции толщины базы отображена включением в цепь базы сопротивления . -объемное сопротивление базы. - диффузионное сопротивление базы обусловленное влиянием  U_кб на U_Э в результате модуляции толщины базы.

, для j ≈ 1, α ≈ δ и .

---

---