Зная физический смысл h-параметров, построим эквивалентную электрическую схему транзистора. Здесь

7 8 9 10 11 12 13

h₁₁U_вых – эквивалентный генератор напряжения, а

h₂₂I_вх – эквивалентный генератор тока.

Входная цепь строится по 1-му уравнению Кирхгофа, а выходная – по 2-му уравнению.

Рассмотрим пример: эквивалентная электрическая схема транзистора с общим эмиттером. Запишем систему уравнений:

U_бэ=h_11эI_б+h_12эU_кэ

I_к=h_21эI_б+h_22эU_кэ

Из этой системы получаем параметры:

h_11э=U_бэ/I_б при U_кэ=0

h_12э=U_бэ/U_кэ при I_б=0

h_21э=I_к/I_б при U_кэ=0, т.е. h_21э=b>>1

h_22э=I_к/U_кэ при I_б=0

ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРА

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЧАСТОТЫ

Поскольку транзистор имеет два p-n-перехода, то его вольтамперные характеристики, а значит и параметры будут сильно зависеть от температуры. Особенно сильную зависимость испытывает тепловой коллекторный ток I_о в схеме с общей базой и обратный сквозной ток I_кос в схеме с общим эмиттером.

Например, для кремниевых транзисторов обратный ток увеличивается в 2 раза при возрастании температуры на 8^оС. Для германиевых транзисторов обратный ток увеличивается в 2 раза при возрастании температуры на 10_оС. Увеличение обратного тока приводит к уменьшению сопротивления закрытого p-n-перехода, а следовательно и вентильных свойств транзистора. Это существенный недостаток транзисторов.

При работе транзисторов широком диапазоне частот важно, чтобы коэффициент усиления по напряжению и коэффициент передачи по току оставались постоянными. На высоких частотах коэффициенты a(jw) и b(jw) являются комплексными величинами и зависят от частоты, т.е. на a(jw) и b(jw) влияют реактивные элементы транзистора – это диффузионная емкость эмиттерного перехода С_э и барьерная емкость коллекторного перехода С_к. График зависимости a(jw) и b(jw) от частоты имеет следующий вид.

Обозначим как a_о –коэффициент передачи по току в области низких и средних частот в схеме с общей базой, а b_о – коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером для области низких и средних частот.

a/a_о и b/b_о– приведенные коэффициенты передачи по току

Из графиков видно, что с ростом частоты коэффициенты a и b начинают уменьшаться. Для определения граничной частоты берут уровень

v_a - верхняя граничная частота для схемы включения транзистора с общей базой.

v_b - верхняя граничнвя частота для схемы включения транзистора с общим эмиттером.

v_a>v_b т.к. С_кэ = (1+b)С_к

Вместо граничной частоты иногда дают постоянную времени

t_b=1¤w_b и t_a=1¤w_a

РАБОТА ТРАНЗИСТОРА С НАГРУЗКОЙ

Рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером. В коллекторной цепи имеется нагрузка R_к. Выходное напряжение равно напряжению между коллектором и эмиттером U_вых=U_кэ. При этом считаем, что между базой и эмиттером приложено постоянное напряжение, т.е. задан режим работы транзистора на выходе.

Составим уравнение по 2-му закону Кирхгофа для выходной цепи:

Е_к=I_кR_к+U_кэ – это уравнение прямой линии.

Чтобы ее построить, зададим начальные условия. Предположим, что

U_кэ=0 отсюда I_к=Е_к/R_к – т.е. это ток насыщения

Предположим теперь, что

I_к=0 отсюда U_кэ=Е_к

Построим теперь эту прямую на выходных характеристиках транзистора. Эта прямая линия есть линия нагрузки.

Режим работы транзистора выбирают на пересечении нагрузочной прямой с вольтамперными характеристиками транзистора. Это режим задания работы транзистора по постоянному току. Точка А на графике – рабочая точка по постоянному току. Зная ее, можно определить ток коллектора I_к и напряжение на выходе U_кэ.

Нарисуем теперь входную характеристику. Зная ток базы I_б2, найдем рабочее напряжение на входе U_бэ.

Угол наклона зависит от величины нагрузочного сопротивления R_к. Это видно из уравнения:

U_кэ=Е_к - I_кR_к

Т.е. напряжение на выходе падает с ростом тока коллектора I_к.

Выходной ток I_к и выходное напряжение U_кэ в нагруженном режиме оказываются в противофазе.

На выходных вольтамперных характеристиках область I – это область отсечки, т.е. транзистор находится в закрытом состоянии. Для нее характерно, что I_к = I_кос»0, а U_кэ»Е_к. Для этого режима характерно также, что и эмиттерный, и коллекторный переходы – заперты.

Область II – область активного режима работы транзистора (режимы усиления, преобразования частоты). Характерно то, что эмиттерный переход – открыт, а коллекторный – заперт. В этом режиме I_к и U_кэ больше нуля.

Область III – область насыщения I_к®Е_к/R_к – току насыщения, а U_кэ®0. В этой области оба перехода (эмиттерный и коллекторный) – открыты.

Области отсечки и насыщения применяются для построения цифровых и импульсных схем.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ (УНИПОЛЯРНЫЕ)

Полевые или униполярные транзисторы имеют носители заряда одного знака – или электроны или дырки – и управляются не входным током, а входным напряжением.

Различают полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Транзисторы с изолированным затвором бывают двух типов: с индуцированным и с встроенным каналом.

Рассмотрим структуру полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Структура n-типа служит каналом, через который осуществляется движение носителей от истока к правой части канала – стоку.

Технологически методом диффузии в пластине с помощью акцепторной примеси образуют области p-типа, которые называются затвором. На границе p-n-областей образуются p-n-переходы. (Аналогия с биполярным транзистором: исток – эмиттер, сток – коллектор, затвор – база.)

Если к этой структуре приложить внешнее напряжение Е_с, а напряжение на затворе U_з=0, то во внешней цепи появится ток стока, величина которого определяется концентрацией электронов в канале. Ток также будет зависеть и от размеров канала, т.е. его площади.

Пусть на затвор относительно истока приложен отрицательный потенциал, т.е. p-n-переходы оказываются включенными в обратном направлении. Потенциальный барьер при этом возрастает и p-n-переход становится шире.

Следовательно, площадь канала становится меньше, т.е. его сопротивление возрастает, что приводит к уменьшению выходного тока I_с. Можно подать на затвор такое напряжение, что канал полностью перекроется p-n-переходом, т.е. I_с=0, а данное напряжение на затворе называется напряжением отсечки U_з= U_{отсечки}.

Входная характеристика I_c=f(U_з) при U_c=const – это стокозатворная характеристика. Характеристика является нелинейной. I_с.нас. – это ток насыщения, он зависит от размеров канала и концентрации носителей.

Выходная характеристика I_c=f(U_с) при U_з=const имеет следующий вид и очень похожа на выходную характеристику биполярного транзистора. Выходной ток I_c почти не зависит от напряжения стока U_c, но сильно зависит от напряжения на затворе U_з.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

К ним относят крутизну стокозатворной характеристки

S=dI_c/dU_з при U_c=const

Сопротивление стока или канала

R_c=dU_c/dI_c при U_з=const

Статический коэффициент усиления по напряжению

m=dU_c/dU_з при I_c=const

Между этими параметрами существует связь

m=SR

Для полевого транзистора R_вх=U_з/I_о»100 кОм, т.е. входное сопротивление полевого транзистора на несколько порядков больше, чем у биполярного. Это является существенным преимущесвом полевого транзистора над биполярным.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С ОБЩИМ ИСТОКОМ

В этой эквивалентной электрической схеме С_зи – входная емкость, т.е. это как правило барьерная емкость p-n-перехода, т.к. p-n-переход включен в обратном направлении.

SU – эквивалентный генератор тока

С_си – выходная емкость.

Вход и выход связаны между собой емкостью С_зс – проходная емкость. Все эти емкости являются паразитными, т.к. отрицательно влияют на частотный диапазон полевого транзистора и особенно сильно влияет С_зс – проходная емкость.

Различают три схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком, общим затвором и общим стоком. Поскольку сток и исток являются абсолютно симметричными, то схемы с общим истоком и общим стоком абсолютно идентичны, т.е. являются одной и той же схемой.

Условное обозначение транзистора с управляющим p-n-переходом.

ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ

Рассмотрим сначала транзистор с встроенным каналом. Их еще называют МДП или МОП транзисторами. МДП транзистор – это аббревиатура структуры металл – диэлектрик – полупроводник. Т.к. в качестве диэлектрика используется окись кремния, то МОП транзистор – это аббревиатура структуры металл – окись – полупроводник.

Структура такого транзистора выглядит следующим образом. Берут подложку р-типа (или n-типа), изолируют ее от внешней среды окисью кремния (стекло), определяют места диффузии для формирования истока, стока и канала. Затем вытравливают окна в диэлектрике и диффузией в газовой среде в пластину кремния (подложку) вводят донорную примесь, получая тем самым две области n-типа – исток и сток и узкий канал того же типа проводимости.

После диффузии отверстия заполняют металлом и получают электроды истока и стока. На поверхность диэлектрика над каналом напыляют металлическую (обычно алюминиевую) пленку и припаивают вывод – затвор.

Если напряжение на стоке Е_с>0, то во внешней цепи будет протекать ток стока I_с>0, величина которого зависит от концентрации носителей и геометрических размеров. Это при условии, что напряжение на затворе U_з=0.

Приложим теперь к затвору напряжение (+ к затвору). Под действием положительного поля затвора неосновные носители заряда подложки (в данном случае электроны) притягиваются этим полем к подложке и расширяют канал. В этом случае увеличивается концентрация носителей в канале и его размеры, т.е. выходной ток стока I_c увеличивается. Чем больше напряжение на затворе U_з, тем больше ток стока I_с.

Пусть теперь напряжение на затворе меньше нуля U_з<0. В этом случае под действием отрицательного поля затвора электроны канала отталкиваются в глубь подложки, т.е. концентрация электронов в канале уменьшается и уменьшается ток стока I_с. Можно достичь такого напряжения на затворе U_з, что канал будет отсутствовать, т.е. ток стока I_с=0. Это напряжение называется напряжением отсечки U_{отсечки}.

Входная характеристика – это стокозатворная характеристика

I_c=f(U_з) при U_c=const.

Выходные характеристики имеют такой же вид как и для транзистора с управляющим p-n-переходом.

Основные параметры те же, что для транзистора с управляющим p-n-переходом: крутизна S, сопротивление стока или канала R_c, статический коэффициент усиления по напряжению m.

Входное сопротивление в этом случае определяется как

R_вх=U_з/I_{ут.диэл.}»(100 кОм – 1 МОм)

где I_{ут.диэл} – это ток утечки диэлектрика, который является очень малым, т.е. данный транзистор имеет более высокое входное сопротивление, чем транзистор с управляющим p-n-переходом (на один – два порядка).

Частотные свойства данного транзистора также выше, т.к. входная емкость С_вх, выходная – С_вых и проходная С_проход – имеют меньшую величину.

ТРАНЗИСТОР С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ

Технология изготовления данного типа транзисторов наиболее простая. Берут подложку n-типа, изолируют ее окисью кремния, определяют места диффузии для истока и стока, вытравливают окна, проводят диффузию, отверстия после диффузии заполняют металлом, а над затвором напыляют металлическую пленку. Канала проводимости не создают, поэтому при напряжении на стоке Е_с<0 и Е_з=0, ток стока отсутствует,т.е.I_c=0, т.к. нет канала проводимости.

При Е_с<0 и Е_з<0 под действием отрицательного поля неосновные носители заряда (в данном случае дырки) притягиваются к затвору и образуют канал проводимости между истоком и стоком. Чем больше по абсолютной величине напряжение на затворе ½U_з ½, тем шире канал, тем больше ток стока.

Входная стокозатворная характеристика I_c=f(U_з) при U_з=const имеет следующий вид. Это самый экономичный МДП транзистор, т.к. при отсутствии напряжения на затворе нет тока в цепи стока.

Условные обозначения для транзисторов с встроенным каналом:

Для транзисторов с индуцированным каналом:

КЛАССИФИКАЦИЯ

Первая буква Г или цифра 1 означает германиевый транзистор, если буква К или цифра 2 – то кремниевый транзистор, если буква А или цифра 3 – то арсенид галлия.

Например ГТ – германиевый биполярный, КТ – кремниевый биполярный, КП – кремниевый полевой.

Далее идет серия 100 – 199 – маломощный низкочастотный транзистор

201 – 299 – маломощный средней частоты

301 – 399 - маломощный высокочастотный

401 – 499 – средней мощности низкочастотный

501 – 599 – средней мощности среднечастотный

601 – 699 - средней мощности высокочастотный

701 – 799 - большой мощности низкочастотный

801 – 899 – большой мощности средней частоты

901 – 999 – большой мощности высокочастотный

Расчет усилителей на транзисторах включает следующие основные этапы:

1. Выбор транзистора и элементной базы.