Файл: Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника.pdf

Из рис. 20 видно, что ток эмиттерного электрода пред­ ставляет собой сумму базового и коллекторного токов.

h = h + h.

Поэтому коэффициент усиления по току схемы с общей базой h2iб, часто обозначаемый а, равен:

Нетрудно заметить, что этот коэффициент всегда меньше единицы. Обратный переход от коэффициента а. к коэффициенту р осуществляется по формуле:

Всхеме с общим коллектором входной ток базовый,

авыходной ток эмиттерный, поэтому коэффициент уси­ ления по току схемы с общим коллектором может быть найден по следующей формуле:

С некоторым допущением можно считать, что при включении транзистора с общей базой во входной цепи протекает ток в 1 + р раз больший, чем при включении с общим эмиттером. А это означает при равенстве вход­ ных напряжений, что входное сопротивление схемы с об­ щей базой в 1 + р раз меньше, чем входное сопротивле­ ние схемы с общим эмиттером.

В схеме с общим коллектором выходное и входное напряжение приближенно равны, но в эмиттерной цепи

51

На основании аналогичных рассуждений нетрудно убе­ диться, что в схеме с общим коллектором выходное со­ противление в 1 + р раз меньше, чем сопротивление гене­ ратора сигнала на входе.

Для схемы с общей базой выходное сопротивление можно приближенно считать в 1 + р раз большим, чем в схеме с общим эмиттером.

Нелинейные свойства транзистора

При анализе транзисторных схем чаще всего прихо­ дится пользоваться семейством выходных характеристик (рис. 21). На этих характеристиках имеются че­ тыре основные области: область отсечки — I, активная область — II, область насыщения — III и область про­ боя — IV. В режиме отсечки транзистор находится в том случае, если обратный ток коллектора полностью отбирается из базы цепью источника запирающего сме­ щения и базовый ток в результате этого равен нулю. Не­ значительный коллекторный ток в этом режиме является током, протекающим через обратно смещенный переход база—коллектор.

52

В активном режиме ток коллектора теоретически не зависит от коллекторного напряжения и равен: / к = р/$. В действительности же наблюдается некоторое уве­ личение тока коллектора с увеличением коллекторно­ го напряжения в результате уменьшения толщины базы при расширении запорного слоя коллекторно-базового перехода (эффект модуляции толщины базы). В этом ре­ жиме транзистор используется в линейных усилительных схемах, имеющих пропорциональную зависимость выход­ ного сигнала от входного.

Переход от активного режима к режиму насыщения проявляется резким изменением выходного сопротивле­ ния транзистора. В активном режиме дифференциальное выходное сопротивление равно единицам мегом, а в ре­ жиме насыщения — десяткам ом. Такое уменьшение вы­ ходного сопротивления происходит при уменьшении кол­ лекторного напряжения до величины базового напряже­ ния. При этом меняется смещение коллекторного перехо­ да от запирающего направления к отпирающему. При отпирании коллекторного перехода его запорный слой ликвидируется, и транзистор в этом режиме теряет уси­ лительные свойства, то есть ведет себя в схеме как обыч­ ное, неуправляемое сопротивление, что проявляется в нарушении связи между базовым и коллекторным то­ ками. В режиме насыщения транзисторы используются в переключающих схемах.

Режим пробоя возникает в результате действия не­ скольких факторов. Один из них — уменьшение толщины базы при расширении запорного слоя коллекторного пе­ рехода. Другой фактор — увеличение температуры пере­ ходов в результате значительного рассеяния мощности в транзисторе при больших коллекторных напряжениях. Ввиду лавинообразное™ действия указанных факторов на увеличение коллекторного тока такой пробой называ­ ется лавинным. Для избежания пробоя необходимо, что­ бы коллекторное напряжение во время работы транзи­ стора не достигало своего предельного значения.

§ 5. Эквивалентные схемы транзисторов

Эквивалентные схемы, используемые для расчета транзисторных схем, отражают кроме основных свойств транзистора, рассмотренных в § 4, еще и целый ряд

53

дополнительных, побочных явлений, часто оказываю­ щих вредное воздействие на работу транзисторных схем.

Ктаким побочным явлениям в транзисторах относятся: наличие теплового коллекторного тока / к. 0; температурная изменчивость входного сопротивления

икоэффициента усиления;

зависимость толщины базы от коллекторного напря­ жения (эффект модуляции толщины базы) и вызываемая в результате этого изменчивость входного сопротивления и коэффициента усиления;

наличие выходной проводимости; емкостные эффекты р—п переходов; шумовые явления.

Различные эквивалентные схемы транзистора по-раз­ ному учитывают эти явления, так как каждая из них ос­ новывается на некоторой системе допущений.

Эквивалентные схемы транзистора как четырехпо­ люсника с параметрами, выраженными через коэффици­ енты соответствующей системы четырехполюсника, без­ условно, содержат в своем составе (в генераторных или резисторных участках) след этих явлений в виде соответ­ ствующего вклада в напряжение или сопротивление уча­ стков схемы. Однако, поскольку параметры участков эк­ вивалентной схемы выражены через коэффициенты че­ тырехполюсника, влияние рассматриваемых явлений оказывается сильно завуалированным.

Более приемлемы в этом отношении эквивалентные схемы, выраженные через собственные (физические) па­ раметры транзистора.

Наиболее простую из схем такого вида можно полу­ чить, если пренебречь емкостными явлениями в транзи­ сторе и его входным сопротивлением (см. рис. 22, а).

Эти допущения приемлемы при низкочастотном сиг­ нале и высоком сопротивлении источника сигнала.

Схема содержит зависимый источник тока, характери­ зующий усилительное свойство триода. Этот источник не является источником энергии, а всего лишь характеризу­ ет генераторнотоковую нелинейность выходного участка транзистора и ее зависимость от тока базы.

В схеме (рис. 22, б) используется зависимый (неавто­ номный) источник тока для отображения генераторното­ ковой нелинейности участка утечки обратно смещенного коллекторного перехода. В схеме (рис. 22, в) учитывает­

54

ся не только обратный коллекторный ток / к. 0, но и вы­ ходное дифференциальное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером. Рассмотренные схемы для случая включения с общей базой сохраняют свой вид. При этом однако величина коллекторного тока должна выражаться через ток эмиттера как

/ к = ®/ э.

Кроме того, в схеме с общей базой сопротивление резистора выходной проводимости гк существенно выше, чем в схеме с общим эмиттером гк.

Рассмотренные схемы можно использовать при рабо­ те транзистора на средних частотах. При этом необходи­ мо учитывать емкость коллекторного перехода, представ­ ляя ее конденсатором, присоединенным параллельно к зависимым источникам тока.

Свойства транзистора будут отражены точнее, если учесть сопротивление эмиттерного участка транзистора

гэ, полагая его линейным (рис. 22, г). При включении с общей базой входное сопротивление транзистора раз­ но:

Rвх = гэ .

При включении по схеме с общим эмиттером входное сопротивление равно:

К„х = (1 + Р) > 'э ■

Схема д рис. 22 представляет собой простейший ва­ риант П-образной схемы замещения транзистора. Ее можно усложнить, введя во входную цепь емкость эмит­ терного перехода. В выходную цепь может быть введен резистор, отражающий конечную величину выходного сопротивления транзистора, что обусловливается влия­ нием эффекта модуляции толщины базы.

Еще более точно приблизиться к реальным свойствам транзистора можно, если в состав эмиттерного сопротив­ ления г'э ввести небольшое линейное сопротивление гэ,

соответствующее сопротивлению эмиттерного электрода, а также диодную нелинейность, отображающую сопро­ тивление эмиттерного перехода (рис. 22, е). Эта схема

55

также может быть уточнена введением генератора обрат­ ного коллекторного тока и выходного сопротивления. Вве­ дение в эту эквивалентную схему сопротивления базы еще более уточняет ее (рис. 22, ж).

Напомним, что сопротивление базы распределено в объеме базы на пути растекания носителей, инжектируе­ мых эмиттером, и называется объемным сопротивлением базы или сопротивлением растекания базы.

Для случая включения транзистора по схеме с общим эмиттером эмиттерное сопротивление можно привести в базовую цепь. При этом входное сопротивление транзис­ тора равно:

Для случая включения транзистора по схеме с общей базой базовое сопротивление может быть приведено в эмиттерную цепь.

н - р

Отсюда видно, что транзистор, включенный по схеме с общей базой, имеет более низкое входное сопротивление, нежели в схеме с общим эмиттером.

В схеме с общей базой дифференциальное выходное

сопротивление транзистора гк в (1 + |3) раз выше, чем в схеме с общим эмиттером. Учитывая это, легко доказать, что коэффициент усиления по напряжению схемы с общей базой, в случае высокоомных нагрузок, выше, чем коэф­ фициент усиления схемы с общим эмиттером.

Смещение входной вольт-амперной характеристики транзистора под действием модуляции толщины базы может учитываться по-разному: введением в состав эмиттерного сопротивления нелинейного сопротивления, за­ висимого от коллекторного напряжения; введением в

эмиттерную ветвь зависимого источника напряжения, ЭДС которого пропорциональна коллекторному напря­ жению: Е = цэ.к UK\ введением в базовую ветвь допол­ нительного сопротивления — диффузионного сопротивле­ ния базы, величина которого изменяется при изменении коллекторного напряжения (рис. 22, з, и).

На рис. 22, к приведена эквивалентная схема, учиты­ вающая изменчивость наклона входной характеристики с

58

помощью зависимого источника напряжения AUo.a, измен­ чивость наклона характеристики прямой передачи с по­ мощью источника Аа/Э, усиление транзистора с по­ мощью генератора а Д / э и влияние изменчивости обрат­ ного тока коллекторного перехода с помощью генератора

тока Д / к . б. о.

На рис. 22, л приведена эквивалентная схема транзис­ тора для учета источников шума. На этой схеме

иШ1 — источник, учитывающий ЭДС теплового шума

всопротивлении базы;

/ш, — источник тока дробового шума эмиттерного

перехода; / ш3 — источник тока дробового шума коллекторного

перехода; / ш4 — источник тока шума, создаваемого перерас­

пределением тока между коллектором и базой. Рис. 22, м отражает взаимосвязь температур отдель­

ных элементов конструкции транзистора. На этой схеме

N — источник тепла в ваттах;

R\ — тепловое сопротивление кристалла и держателя в градусах на ватт;

R2 —• тепловое сопротивление корпуса триода в гра­ дусах на ватт;

Т3 — температура перехода в градусах; Т2 — температура кожуха; Т\ — температура среды.

В соответствии с этой схемой могут быть составлены уравнения, позволяющие определить температуру отдель­ ных элементов конструкции транзистора.

§ 6. Четырехслойные полупроводниковые приборы

Если два транзистора различного типа проводимости объединить перекрестными коллекторно-базовыми связя­ ми, то полученная схема будет обладать свойствами уси­ лителя с положительной обратной связью (рис. 23, а). Специфической особенностью этой схемы является соглас­ ность процесса включения. Иными словами, транзисторы этой схемы либо оба выключены, либо оба включены. В любом из этих состояний ток эмиттера каждого из тран­ зисторов складывается из коллекторных токов транзисто­ ров, входящих в схему:

59

Рис. 23. Принцип построения четырехслойного полупроводниково­ го прибора:

а — транзисторный аналог четырехслойного полупроводникового прибора (транзисторная тиратронная схема); б — вольт-амперная характеристика транзисторной тиратронной схемы; в — структура соединения слоев тран­ зисторной тиратрониой схемы; г — структура слоев четырехслойного полу­ проводникового прибора

В соответствии с полученной формулой оба транзисто­ ра схемы сразу же после приложения напряжения пита­

60