Усиление с помощью транзистора
Биполярные транзисторы
Общие сведения
Наиболее распространены транзисторы с двумя n–р-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 рисунке 4.1. Он представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа п–р–п, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью. Широко применяются также транзисторы типа р — п — р, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.
Рисунок 4.1 – Принцип устройства (а) и условное графическое
обозначение (б) плоскостного транзистора
Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область –эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n–р-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, концентрация 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 iб, iэ, iк.Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например напряжение между базой и эмиттером uб-э, между коллектором и базой uб-э. На условном графическом обозначении транзисторов р – п – р и п – р – п стрелка показывает условное (от плюса к минусу) направление тока в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.
Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки, или запирания, достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Поэтому мы подробно рассмотрим работу транзистора в активном режиме. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора и также будут рассмотрены в дальнейшем.
|
|
В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка. Для величин, относящихся к входной и выходной цепи, применяют соответственно индексы «вх» и «вых» или 1 и 2.
Физические процессы
Рассмотрим прежде всего, как работает транзистор, для примера типа п– р–п, в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е1и Е2 (рисунок 4.2, а). 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 Е1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, и напряжение Е2обычно составляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рисунке 4.2, а видно, что напряжения между электродами транзистора связаны простой зависимостью
|
|
|
При работе транзистора в активном режиме обычно всегда uб-э<< uк-б и, следовательно, uк-э» uк-б.
Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе (см. рисунок 3.2). 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 (uб-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 uб-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 uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора.
|
|
Так как 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.
Рисунок 4.2 – Движение электронов и дырок в транзисторах типа n–p–n и p–n–p
|
iэ = iк + iб
Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он
был как можно меньше. Обычно iб составляет малую долю (проценты) тока эмиттера, т. е. iб<< iэ, а следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмиттера и можно считать iк » iэ. Именно для того, чтобы ток iб 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, так как 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 р-области и дырок из n-области.
Но если под действием входного напряжения возник значительный ток эмиттера, то в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т. е. ток коллектора iк.
По рекомендуемой терминологии эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.
Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмит-терный, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем рассеиваемая в эмиттер-ном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в этом случае называют симметричными), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.
|
Важное свойство транзистора – приблизительно линейная зависимость между его токами, т. е. все три тока транзистора изменяются почти пропорционально друг другу. Пусть, для примера, iэ = 10 мА, iк = 9,5 мА, iб = 0,5 мА. Если ток эмиттера увеличится, например, на 20% и станет равным 10 + 2 = 12 мА, то остальные токи возрастут также на 20 %; iб = 0,5 + 0,1 = 0,6 мА, iк = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так как всегда должно быть выполнено равенство (4.2), т. е. 12 мА =11,4 мА + 0,6 мА. Для приращения же токов справедливо равенство (4.3), т. е. 2 мА = 1,9 мА + 0,1 мА.
Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа п – р—п. Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р — п — р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются полярности напряжений и направления токов (рисунок 4.2, б). В транзисторе типа р — п — р из эмиттера в 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. 4.3 для транзистора типа п — р — п. Эту диаграмму удобно использовать для создания механической модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение uб-э, тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность потенциалов, ускоряющую электроны. В механической модели шарики, аналогичные электронам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем ускоренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.
Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах приходится учитывать еще ряд явлений.
Рисунок 4.3 – Потенциальная диаграмма транзистора
|
rэ0 » 25/iэ
где ток iэ выражается в миллиамперах.
Сопротивление коллектора rк0 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.
Схема на рисунке 4.4 является весьма приближенной, так как 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.
Рисунок 4.4 – Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока
При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда (главным образом результат 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, г. е. без повышения напряжения на коллекторном переходе до пробивного. Это явление, связанное с перегревом коллекторного перехода в какой-то его части, получило название вторичного пробоя.
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, так как 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. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием неосновных носителей заряда в базе.
В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзистора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.
Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттер-ном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током гк.уПр. Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому
|
где a – коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0,950 до 0,998.
Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе a к 1. Через коллекторный переход всегда проходит очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток iк0 (рисунок 4.5), называемый еще начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток
|
Во многих случаях iк0 << iэ и можно считать, что iк » a iэ. Если надо измерить iк0, это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при iэ = 0 ток iк = iк0.
Преобразуем выражение (4.6) так чтобы выразить зависимость тока iк от тока базы iб. Заменим iэ суммой iк + iб:
iк = a( iк + iб) + iк0
Рисунок 4.5 – Токи в транзисторе
Решим это уравнение относительно iк. Тогда получим
Обозначим
|
и напишем окончательное выражение
.
Здесь b – коэффициент передачи тока базы и составляет несколько десятков. Например, если a = 0,95, то
а если a = 0,99, т.е. увеличился на 0,04, то
т.е. b увеличился в пять с лишним раз!
Таким образом, незначительные изменения a приводят к большим изменениям b. Коэффициент b, так же как и a, относится к важным параметрам транзистора. Если известен b, то можно определить a по формуле
|
Следует заметить, что коэффициент от 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 a изменяется 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 iк-э0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба п — р-перехода) в том случае, если (iб = 0, т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при iб = 0 получаем iк = iк-э0. Сквозной ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора iк0. Ток iк-э0 = iк0/(1–a), и, зная, что a/(1 – a) = b, нетрудно найти iк-э0 = (b + 1) iк0. А так как b>>1, то
|
iк-э0 » b iк0
Сравнительно большой ток iк-э0 объясняется тем, что некоторая часть напряжения uк-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 uк-э ток iк-э0 резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что, если uк-э не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (при условии, что в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения «к.э, действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток iэ и равный ему ток iэ, на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются, и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.
Если надо измерить ток гк.э0, то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разорванном проводе базы.
Усиление с помощью транзистора
На рисунке 4.6 изображена схема усилительного каскада с транзистором типа п — р — п. Принято данную схему называть схемой с общим эмиттером, так как эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы. Входное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база — эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника Е1, являющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток, а следовательно, входное сопротивление транзистора получается сравнительно небольшим. Чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е1, он зашунтирован конденсатором достаточно большой емкости С1. Этот конденсатор на самой низкой рабочей частоте должен иметь сопротивление, во много раз меньшее входного сопротивления транзистора.
Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е2.Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка Rн. Источник Е2зашунтирован конденсатором С2 для того, чтобы не было потери части выходного усиленного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е2.На самой низкой частоте сопротивление этого конденсатора должно быть во много раз меньше Rн. В дальнейшем для упрощения схем конденсаторы C1и С2 не всегда будут показаны. Можно считать, что они имеются внутри самих источников Е1и Е2. Если эти источники являются выпрямителями, то в них всегда есть конденсаторы большой емкости для сглаживания пульсаций.
Рисунок 4.6 – Схема включения транзистора в усилительный каскад
Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Изобразим коллекторную цепь в виде эквивалентной схемы (рисунке 4.7). Напряжение источника Е2делится между сопротивлением нагрузки Rни внутренним сопротивлением транзистора r0, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода rк0 для постоянного тока. В действительности к сопротивлению rк0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также п- и р-областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание.
Рисунок 4.7 – Эквивалентная схема коллекторной цепи усилительного каскада с транзистором
Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода rк0. Тогда напряжение источника Е2 будет перераспределяться между Rни гк0. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки 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 рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е2.
Для большей наглядности рассмотрим работу усилительного каскада с транзистором на числовом примере. Пусть питающие напряжения Е1 =0,2 В и Е2= 12 В, сопротивление резистора нагрузки Rн = 4 кОм и сопротивление транзистора r0при 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 iк = E2/(Rн + r0) = 12:8 = 1,5 мА. Напряжение Е2разделится пополам, напряжение на Rни на г0 будет по 6 В.
Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В, то 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 r0транзистора 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, произойдет 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 Rн 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 r0от 0,8 до 20 кОм, и 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.)
Рисунок 4.8 – Усиление колебаний с помощью транзистора
Колебания напряжений и токов для рассмотренного примера показаны графиками на рисунке 4.8. Графикам этим соответствуют следующие уравнения: входное напряжение uвх = Um вх sinwt; напряжение на участке база – эмиттер uб-э = Uб-э0 + Um б-э sin wt, где Um б-э = Um вх; ток коллектора iк = Iк0 + Im кsinwt. Аналогично выражается напряжение на нагрузке: UR = UR0 + UmR sinwt, где
UmR = Um к-э = ImкRн и UR0 = Iк0Rн.
Напряжение на выходе uвых = uк.э = U к-э0 – Um к-э sin wt, где Uк-э0 = Е2 - UR0.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 2578; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!