Транзисторы

Транзистором называют полупроводниковый триод. Различают два класса транзисторов – биполярные и полевые.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор на основе полупроводникового кристалла (кремния или германия), имеющий трехслойную структуру (p-n-p или n-p-n) с двумя близко расположенными электронно-дырочными переходами. Крайние области называют эмиттером и коллектором, среднюю – базой. Аналогичное название имеют и соответствующие три вывода от них.

Рис. 3.2. Подключение транзистора n-p-n к источникам напряжения

Буквенно-цифровое обозначение транзисторов по структуре в целом аналогично обозначению диодов. Вторым элементом обозначения является буква: Т – для биполярных транзисторов, П – для полевых.

Принцип действия биполярного транзистора, включенного в электрическую цепь, основан на диффузионном движении через базу в направлении коллектора инжектированных из эмиттера зарядов. Чтобы большая часть этих носителей достигла коллектора, не рекомбинировав с основными носителями заряда базы, эта область выполняется обедненной основными носителями заряда, а ее толщина – меньше диффузионной длины неосновных носителей, инжектированных эмиттером.

С помощью источника питания между выводами транзистора создаются напряжения U_бэ и U_кэ (рис. 3.2). В наиболее часто применяемом, так называемом, активном режиме, эмиттерный переход напряжением U_бэ смещается в прямом направлении, а коллекторный переход напряжением U_кэ – в обратном. Приложенное напряжение U_бэ вызывает инжекцию носителей заряда из эмиттера в базу и последующую их диффузию в направлении коллекторного p-n перехода. Большая часть инжектированных носителей заряда его достигает и далее переносится в область коллектора полем объемного заряда. В областях коллектора и эмиттера движение носителей заряда происходит под действием приложенных напряжений.

Небольшая часть носителей заряда, инжектированных эмиттером, рекомбинирует с основными носителями области базы, образуя соответствующий ток I_б. В соответствии с 1-м законом Кирхгофа I_эI_к+I_б, причем, I_б<<I_к.

Если увеличить или уменьшить напряжение U_бэ, то соответственно изменится количество зарядов, инжектированных в область базы, что приведет к увеличению или уменьшению тока транзистора в целом. Отношение изменений токов коллектора и базы называется статическим коэффициентом передачи тока базы: h_21эΔI_к/ΔI_б. Обычно этот коэффициент лежит в пределах n10¹n10²

Изменение напряжения U_кэ незначительно влияет на величину тока транзистора.

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник, имеющий по два входных и выходных вывода. При этом один из выводов является общим для входной и выходной цепи. В электронных устройствах используется включение транзисторов по схемам с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ). Во всех этих схемах транзистор работает одинаково, однако соответствующие электронные устройства обладают различными усилительными и другими свойствами. Наиболее часто используется схема с ОЭ, которая обеспечивает усиление, как по току, так и по напряжению.

При условии малых изменений, входные и выходные токи и напряжения транзистора как четырехполюсника можно связать линейными уравнениями, которые для схемы с ОЭ имеют вид:

u_бэh_11э i_бh_12э u_кэ

i_кh_21э i_бh_22э u_кэ

Коэффициенты h_11э, h_12э, h_21э, h_22э называются h-параметрами, которые являются дифференциальными величинами и имеют следующий физический смысл: h_11э – входное сопротивление транзистора, h_12э – внутренний коэффициент обратной связи по напряжению, h_21э – статический коэффициент передачи тока базы, h_22э – выходная проводимость транзистора. Для схем включения с ОЭ, ОК и ОБ h-параметры различны по величине. Нижний индекс «э» в обозначении параметров указывает на принадлежность к схеме с ОЭ.

Принцип работы усилительного каскада по схеме с общим эмиттером.

В схеме с ОЭ источник входного сигнала включается между базой и эмиттером, а источник питания – между коллектором и эмиттером.

Простейший усилитель тока можно выполнить непосредственно на транзисторе без всяких дополнительных элементов (рис. 3.3). В цепь коллектора транзистора такого усилителя можно включить какое-либо устройство, для которого необходимо питание током, например, светодиод. Его свечение сигнализирует о наличии или отсутствии входного сигнала.

Рис. 3.3. Простейший сигнализатор входного сигнала на усилительном каскаде по схеме с ОЭ

В усилителях небольшой мощности часто требуется усиление по напряжению. Для этого в цепь коллектора транзистора включают резистор нагрузки R_к (рис. 3.4,а) или другой элемент, на котором ток коллектора вызывает падение напряжения.

Пусть к входу этого усилителя (между эмиттером и базой транзистора) подключен источник синусоидального напряжения

u_вхU_вх max sinωt.

Рис. 3.4. Усилительный каскад по схеме с ОЭ без цепи смещения и временные диаграммы, поясняющие его работу

Поскольку p-n переход обладает односторонней проводимостью, ток i_б протекает только при положительных полуволнах приложенного напряжения в одном направлении: база – эмиттер (рис. 3.4,б). В эти же полупериоды через коллектор транзистора протекает ток i_к значительно большей величины (рис. 3.4,в). Поскольку в схеме с ОЭ токи i_б и i_к являются, соответственно, входным и выходным, то можно считать, что в данной схеме происходит усиление положительных полуволн входного тока:

i_кh_21э i_б. (3.2)

Коллекторный ток i_к, протекая через резистор R_к, создает на нем падение напряжения, которое можно использовать как выходное:

u_вых1R_к i_к. (3.3)

В положительные полупериоды входного напряжения u_вых1 представляет собой усиленные положительные полуволны (рис. 3.4,г), в отрицательные полупериоды ток через транзистор не протекает и u_вых10.

По другому способу, который используется чаще, выходное напряжение u_вых2 снимается между эмиттером и коллектором транзистора (рис. 3.4,а). На основании 2-го закона Кирхгофа

u_вых2U_питR_к i_к. (3.4)

Из сравнения выражений видно, что u_вых1 и u_вых2 различаются по величине на напряжение источника питания, причем в положительные полупериоды входного напряжения переменная составляющая u_вых2, обусловленная падением напряжения (R_к i_к), равна и противоположна по фазе u_вых1 (рис. 3.4,д).

Таким образом, в схеме усилителя на рис. 3.4,а изменение (усиление) входного напряжения происходит только при положительных полуволнах входного напряжения, что обусловлено односторонней проводимостью эмиттерного р-n перехода транзистора, то есть, его нелинейными свойствами. Поскольку входное напряжение изменяется во времени по синусоидальному закону, а выходное – несинусоидальное, то, очевидно, в рассматриваемой схеме возникает нелинейное искажение. Поэтому для усиления синусоидальных напряжений она непригодна, однако может быть использована для усиления положительных импульсов.