Расчет и проектирование маломощного биполярного транзистора на основе германия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Запорожская государственная инженерная академия

Факультет Электроники и электронных технологий

Кафедра Физической и биомедицинской электроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Дисциплина: Твердотелая электроника

На тему: Расчет и проектирование маломощного биполярного транзистора на основе германия

2005 р.

Содержание

Введение

Раздел 1. Устройство и принцип действия транзистора

1.1 Конструкция и строение транзистора

1.2 Режимы работы транзистора

1.3 Основные схемы включения транзистора

Раздел 2. Характеристики транзистора

2.1 Статические характеристики транзистора

2.2 Статические характеристики транзистора в схеме с ОБ

2.3 Статические характеристики транзисторов схеме ОЭ

Раздел 3. Параметры транзисторов

3.1 Первичные и вторичные параметры

3.2 Схемы h-параметров

Раздел 4. Типы транзисторов и их системы обозначений

Раздел 5. Расчетная часть

Выводы

Список использованных источников

транзистор биполярный германий

Введение

Электроника - это область науки и техники, изучающая теорию работы и практическое использование полупроводниковых и электровакуумных приборов в различных электронных устройствах и системах.

Во всех электронных приборах осуществляется преобразование либо одного вида электрического тока в другой (постоянного - в переменный и наоборот), либо одного вида энергии в любую (например, электрической в световую и наоборот) за счет управления потоком заряженных частиц.

Современная электроника охватывает обширный круг вопросов, связанных с исследованием физических явлений, происходящих при прохождении электрического тока в полупроводниках, вакууме и газе, а также разработкой и применением приборов и устройств, основанных на этих процессах.

Новейшим и прогрессивным направлением электроники является микроэлектроника, бурно развивающаяся на основе микроминиатюризации электронной аппаратуры. Ее элементарной базой являются не отдельные электрорадиодетали, а интегральные микросхемы, каждая из которых представляет собой функциональный узел электронного устройства, сформированный в едином полупроводниковом кристалле [1].

Одно из важных направлений современной электроники - радиоэлектроника, занимающаяся разработкой и применением электронной аппаратуры для целей радиовещания, радиолокации, радионавигации, космонавтики, телевидения, звукового кино, связи. Другое направление - промышленная электроника, обеспечивающая внедрение электронных устройств во все отрасли народного хозяйства, науки и техники, быта, как для электроэнергетики, так и для целей измерения, контроля и управления различными примышленными объектами и автоматизации технологических и промышленных процессов.

Техника кинематографии и видеотехника базируется на использовании электронных устройств, в которых применяются полупроводниковые и электровакуумные приборы. Например, при воспроизведении звука с фотографической фонограммы кинофильма световой поток от читающей лампы кинопроектора проходит сквозь фонограмму на фотодиод или фотоумножитель, который преобразует световые колебания в электрические. Однако мощность этих колебаний слишком мала, поэтому слабые электрические колебания подают на электронный усилитель, который увеличивает их мощность до величины, требуемой на входе громкоговорителя.

В усилителях и источниках питания электронной аппаратуры используют полупроводниковые диоды, транзисторы, электронные лампы [2].

Общие сведения о транзисторах.

В 1948г. Д. Бардин и В. Браттейн, работая с точечным р-n переходом, обнаружили, что устройство с двумя p-n переходами способно создавать усиление электрических колебаний по мощности. Они назвали это устройство транзистором (от английских слов: "transfer" - преобразователь и "resistor" - сопротивление). В настоящее время транзистором называют полупроводниковые усилительные приборы, которые способны усиливать электрическую мощность. Транзисторы имеют очень много конструктивно-технологических разновидностей, но по принципу действия их делят на два основных класса: биполярные и униполярные. Наиболее распространённые транзисторы с двумя p-n переходами, они называются биполярными, так как их работа связана с использованием носителей заряда обоих знаков. Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя выводами. Он имеет трехслойную структуру, состоящую из чередующихся областей с различными типами электропроводности: p-n-р или n-p-n. По конструкции транзисторы могут быть как точечными, так и плоскостными, однако, хотя точечные транзисторы появились первыми, нестабильность их работы привела к тому, что в настоящее время выпускаются только плоскостные транзисторы [3].

Раздел 1. Устройство и принцип действия транзисторов

1.1 Конструкция и строение транзистора

В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей. Поэтому неотъемлемой составной частью биполярных транзисторов являются p-n - переходы. Термин «биполярный» призван подчеркнуть роль обоих типов носителей заряда (электронов и дырок) в работе этого класса транзисторов: инжекция неосновных носителей сопровождается компенсацией их заряда основными носителями.

Основным элементом транзистора является кристалл кремния или германия с созданными в нем двумя плоскостными p-n переходами. Пластина полупроводника n-типа с заранее введенной в небольшом количестве донорной примесью является базовой. На неё наплавляются с двух сторон таблетки акцепторной примеси: для германия - индий, для кремния - алюминий. В процессе термической обработки атомы акцепторной примеси проникают в кристалл, создавая p-области. Между p-областями и полупроводником n-типа образуются p-n переходы. Процесс введения примесей контролируется таким образом, чтобы в одной p-области была большая их концентрация (на рисунке - в левой p-области), чем в другой. Наименьшая концентрация примеси остаётся в средней области n-типа [4].

Наружная область с наибольшей концентрацией примеси называется эмиттером, вторая наружная область - коллектором, а внутренняя область - базой. Электронно-дырочный переход (p-n переход) между эмиттером и базой называют эмиттерным переходом (ЭП), а между коллектором и базой - коллекторным переходом (КП). Для соединения с внешней электрической схемой эмиттер, база коллектор имеют выводы, представляющие собой невыпрямляющие (омические) контакты полупроводника с металлом. Вся система помещается в герметизированный корпус, а выводы электродов выводятся наружу.

Эмиттерный и коллекторный переходы могут быть получены различными методами. От метода получения переходов зависит распределение примеси в области базы. Если концентрация примеси в области базы распределяется равномерно (например, при получении р-n переходов методом сплавления), то, с известной долей пренебрежения, можно считать, что электрическое поле в базе отсутствует.

Если концентрация примеси в области базы распределена неравномерно (что происходит при создании р-n переходов с помощью диффузионных процессов), то это приводит к появлению электрического поля, величина которого зависит от характера неравномерности распределения примеси. Максимальное постоянное электрическое поле в области базы появляется при экспоненциальном распределении концентрации примеси [5].

Транзисторы с однородным распределением концентрации примесей в базе (электрическое поле базы практически отсутствует) называются бездрейфовыми.

Транзисторы с неоднородным распределением концентрации примеси в базе (существует электрическое поле базы) называются дрейфовыми.

В соответствии с концентрацией основных носителей заряда база является высокоомной областью, коллектор - низкоомной, а эмиттер - самой низкоомной. Толщина базы очень мала и составляет единицы микрометров. Площадь коллекторного перехода в несколько раз превышает площадь эмиттерного. [6]

1.2 Режимы работы транзистора

Применение транзистора для усиления электрических колебаний основано на его принципе действия как управляемого электронного прибора.

Как на эмиттерный, так и на коллекторный переходы может быть подано либо прямое, либо обратное напряжение. В зависимости от знака напряжения, подаваемого на эмитерный и коллекторный переходы, различают три режима работы транзистора:

режим насыщения - на оба р-n перехода подано прямое напряжение;

режим отсечки - на оба р-n перехода подано обратное напряжение;

активный режим - на один из переходов подано прямое напряжение, а на другой - обратное.

В режиме насыщения, когда на эмиттерный и коллекторный переходы подается прямое напряжение, потенциальный барьер снижается, и через переходы в область базы инжектируются неосновные носители заряда - дырки в случае транзистора p-n-р. В результате база насыщается неосновными носителями, транзистор ведет себя как малое сопротивление, и токи через него ограничиваются в основном за счет элементов внешней цепи.

В активном режиме обычно на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный переход - обратное (хотя возможно и так называемое инверсное включение, когда на ЭП подается обратное напряжение, а на КП - прямое). В этом случае эмиттер инжектирует в базу неосновные носители заряда-дырки, причем их количество (концентрация) зависит от величины напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. Диффузионно передвигаясь в базе, почти все неосновные носители (лишь небольшая часть рекомбинирует с основными носителями заряда базы) достигают коллекторного перехода. Т.к. электрическое поле коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, является ускоряющим для неосновных носителей, то они "проталкиваются" через переход и собираются в коллекторе.

Таким образом, ток через транзистор в основном является током неосновных носителей заряда, величина которого определяется величиной прямого напряжения, приложенного к эмиттерному переходу. То обстоятельство, что этот ток протекает через ЭП, имеющий малое сопротивление, и КП, имеющий большое сопротивление, создает условия, позволяющие получить усиление напряжения и мощности электрических сигналов.

Из сказанного следует, что транзистор может быть использован как усилитель электрических колебаний, при этом работает в активном режиме, и как переключатель - в момент прохождения импульса он работает в режиме насыщения, в промежутке между импульсами - в режиме отсечки, и в момент переключения - в активном режиме [7].

Транзистор может работать как в прямом (на ЭП подается прямое напряжение, на КП - обратное), так и в инверсном включении, когда роль эмиттера выполняет коллектор, а роль коллектора - эмиттер. Инверсное включение представляет практический интерес при использовании транзистора в качестве малотокового переключателя.

Кроме того, показаны два процесса, которые по интенсивности неизменно меньше основных. Первый из них - генерация пар носителей заряда в области коллектора, обусловливающая его собственную электропроводность и вызывающая прохождение обратного тока коллекторного перехода . Этот ток создается неосновными носителями заряда, концентрация которых зависит от температуры. Следовательно, обратный ток зависит от температуры; иногда его называют тепловым током. Второй процесс - движение электронов из базы в эмиттер в результате снижения потенциального барьера при прямом напряжении на эмиттерном переходе. Однако, учитывая, что концентрация основных носителей заряда (электронов) в базе на два-три порядка меньше концентрации дырок в эмиттере, можно считать, что электронная составляющая прямого тока через ЭП очень мала и величину тока эмиттера определяет дырочная составляющая. Электроны, перешедшие из базы в эмиттер, рекомбинируют в нем с дырками [1].

Уход дырок из коллектора соответствует переходу на их место электронов из внешней цепи от источника питания . Рекомбинация электронов с дырками в базе и в эмиттере компенсируется пополнением их из внешней цепи от источника питания и из коллектора за счет обратного тока . Пополнение ушедших из эмиттера в базу дырок происходит за счет ухода электронов из эмиттера во внешнюю цепь под действием источника .

Токи трех электродов транзистора связаны соотношением:

(2.1)

Ток базы значительно меньше тока коллектора, поэтому для практических расчетов часто считают ток коллектора приближенно равным току эмиттера: . Отношение называют статическим коэффициентом передачи тока эмиттера, или коэффициентом передачи постоянного тока.

Принцип действия транзистора n-p-n аналогичен рассмотренному, но носителями заряда, создающими токи через p-n-переходы в процессе инжекции и экстракции, являются электроны; полярность источников и должна быть изменена на противоположную, соответственно изменятся и направления токов в цепях.

На основании рассмотренных процессов можно сделать вывод, что транзистор как управляемый прибор действует за счет создания транзисторного (проходящего) тока носителей заряда из эмиттера через базу в коллектор и управления током коллектора путем изменения тока эмиттера. Таким образом, биполярный транзистор управляется током [8].

Ток эмиттера как прямой ток p-n перехода значительно изменяется при очень малых изменениях напряжения на эмиттерном переходе и вызывает, соответственно, большие изменения тока коллектора. На этом основаны усилительные свойства транзисторов [8].

1.3 Основные схемы включения транзистора

Схема включения транзистора для усиления электрических колебаний содержит две цепи: входную и выходную. Входная цепь - в данном случае между эмиттером и базой - является управляющей; в нее последовательно с источником питания включается источник слабых электрических колебаний , которые надо усилить. Электрические колебания, подаваемые во входную цепь, называют управляющими, или усиливаемым сигналом. Выходная цепь - между коллектором и базой - является главной цепью; в нее последовательно с источником включается нагрузка , на которой надо получить усилительный сигнал. Источник усиливаемых колебаний малой мощности дает небольшое переменное напряжение и вызывает изменение эмиттерного тока; в результате происходят изменения коллекторного тока и напряжения на нагрузке. Поскольку сопротивление коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, очень велико, коллекторная цепь является высокоомной; в нее включается, соответственно, высокоомная нагрузка .

При этих условиях изменение тока коллектора , практически равные изменениям тока эмиттера , создают в усилителях низкой частоты на большом сопротивлении электрические колебания, мощность которых значительно превышает мощность колебаний в низкоомной входной цепи, т.е. происходит усиление электрических колебаний [9].

Транзистор имеет три электрода, из которых в схеме включения один - входной, другой - выходной, а третий - общий для цепей входа и выхода. И может включатся в схему тремя различными способами, т.к. каждый из трех выводов может быть использован как общий (заземленный). Соответственно каждая из схем включения называется:

1) схема с общей базой (ОБ), (общий электрод- база),

2) схема с общим эмиттером (ОЭ) (общий электрод- эмиттер), 3) схема с общим коллектором (ОК) (общий электрод- коллектор).

Т.к. в транзисторе усиление возможно только при протекании через него тока в одном направлении (через малое сопротивление ЭП и большое сопротивление КП), то одним из двух входных выводов обязательно должна быть база, а одним из двух выходных выводов - коллектор. Независимо от способа включения по постоянному току возможны также три схемы включения транзистора по переменному току [10].

В схемах, на которых рассматривался принцип действия транзисторов и его использование для усиления электрических колебаний, входной электрод - эмиттер, выходной - коллектор, а общий, входящий и в цепь входа, и в цепь выхода, - база; следовательно, это была схема ОБ.

При любой схеме включения в каждой цепи постоянный ток проходит от плюса источника питания через соответствующие области транзистора к минусу источника питания. Стрелка эмиттера указывает направление проходящего через него тока.

Во всех трех схемах сохраняется рассмотренный принцип действия транзистора, но свойства схем различны; они также отличаются характеристиками и параметрами.

В любой схеме включения в каждой из двух цепей действует напряжение между двумя электродами и протекает ток: во входной цепи - и , в вы - выходной - и . Эти электрический величины определяют режим работы транзистора и взаимно влияют друг на друга [9].

Раздел 2. Характеристики транзистора

Характеристики транзистора представляют собой зависимость одной из этих величин от другой при неизменной третей величине. Для того чтобы одну из электрических величин можно было поддерживать постоянной, в схему для снятия характеристик надо включить только источники питания; нагрузку и источник усиливаемых колебаний не включают. Для регулирования напряжения включают потенциометры, а для измерения напряжений и токов - измерительные приборы. При снятии каждой характеристики сначала устанавливают с помощью потенциометров значение постоянной величины, а затем, устанавливая последовательно разные значения изменяемой величины, определяют соответствующее значение зависящей от нее другой величины [11].

2.1 Статические характеристики транзистора

Характеристики, снятые без нагрузки, когда одна из величин поддерживается постоянной, называют статическими. Совокупность характеристик, снятых при разных значениях этой постоянной величины, представляет собой семейство статических характеристик.

Статические характеристики представляют собой графики экспериментально полученных зависимостей между токами, протекающими в транзисторе, и напряжениями на его р-n переходе.

Наибольшее значение при применении транзисторов имеют два вида характеристик - входные и выходные.

Входной характеристикой называют зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении:

(2.2)

Выходной характеристикой называют зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе:

(2.3)

Вид характеристик транзистора зависит от способа его включения, но для схем ОЭ и ОК они практически одинаковы, поэтому пользуются обычно входными и выходными характеристиками для схем ОБ и ОЭ.

Зависимость постоянных токов, протекающих в транзисторе, от приложенных напряжений нелинейная, т.е. статические вольтамперные характеристики нелинейные [1].

2.2 Статические характеристики транзистора в схеме с ОБ

В схеме входным электродом служит эмиттер, а выходным - коллектор. Поэтому входное напряжение - это напряжение между эмиттером и базой , а выходное - между коллектором и базой ; входным током является ток эмиттера , а выходным - ток коллектора .

Поскольку, то выходной ток почти равен входному, так что схема с ОБ практически не усиливает ток, а усиливает только напряжение и во столько же раз мощность сигнала.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, представляют собой зависимость тока коллектора от напряжения коллектор - база при постоянном токе эмиттера, поэтому их называют коллекторными:

(2.4)

Для того чтобы график характеристик был универсальным для транзисторов типа p-n-p и n-p-n, напряжение по горизонтальной оси отложено без учета его полярности, по абсолютной величине.

При ток коллектора равен обратному току коллекторного перехода , поэтому выходная характеристика, снятая при представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики p-n перехода. Характеристики, снятые при постоянных значениях располагаются тем выше, чем больше , причем они выходят не из начала координат. Это объясняется тем, что при на коллекторном переходе действует потенциальный барьер , создающий ускоряющее поле для неосновных носителей заряда, инжектированных в базу из эмиттера. Поэтому они переносятся электрическим полем из базы в коллектор и создают ток , не равный нулю. Он тем больше, чем больше , при котором снимается характеристика. Характеристики идут очень полого, т.е. ток коллектора почти не зависит от изменений напряжения коллектора. Это говорит о том, что выходное сопротивление в схеме с ОБ очень велико:

(сотни тысяч Ом и более). (2.5)

При увеличении коллекторного напряжения выше максимально допустимого возникает опасность электрического пробоя коллекторного перехода, который может перейти в тепловой пробой и вывести транзистор из строя.

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ, представляют собой зависимость тока эмиттера от напряжения эмиттер - база при постоянном напряжении коллектор - база; эти характеристики называют эмиттерным.

(2.6)

При отсутствии коллекторного напряжения () включен только эмиттерный переход в прямом направлении и характеристика соответствует прямой ветви вольтамперной характеристики p-n перехода.

Этим объясняется очень малое входное сопротивление в схеме ОБ:

(единицы и десятки Ом). (2.7)

При большем значении величины входная характеристика немного сдвигается влево и вверх. Это происходит из-за влияния обратного напряжения на коллекторном переходе на толщину базы. С увеличением , т.е. , расширяется за счет базовой области коллекторный p-n переход и уменьшается толщина базы. Перепад концентрации инжектированных носителей заряда в базе увеличивается, возрастает процесс диффузии их от эмиттера. В результате становится больше ток при этом же значении [5].

2.3 Статические характеристики транзистора в схеме ОЭ

В этой схеме входной ток - ток базы , выходной - ток коллектора , входное напряжение создается между базой и эмиттером , а выходное - между коллектором и эмиттером .

Поскольку ток коллектора гораздо больше тока базы, а создаваемое им напряжение на нагрузке в высокоомной выходной цепи значительно превышает напряжение во входной цепи, то, значит, схема ОЭ усиливает и ток, и напряжение, и следовательно, дает очень большое усиление мощности сигнала.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависимость тока коллектора от напряжения коллектор - эмиттер при постоянном токе базы. Как и для схемы ОБ, выходные характеристики в схеме ОЭ - это коллекторные характеристики.

(2.8)

В этой схеме напряжение - это прямое напряжение на эмиттерном переходе, а обратное напряжение коллекторном переходе определяется разностью . Но поскольку , можно приближенно считать, что .

Семейство коллекторных характеристик транзистора в схеме ОЭ отличается от коллекторных характеристик в схеме ОБ. Все характеристики выходят из начала координат, т.е. при ток . Это объясняется тем, что при цепь коллектор - эмиттер закорочена; коллекторный переход подключен параллельно эмиттерному, и на нем тоже действует прямое напряжение, равное , которое понижает потенциальный барьер. В результате основные носители заряда переходят из коллектора в базу и компенсируют поток таких же носителей заряда, переходящих в коллектор от эмиттера через базу, так что .

Начальная коллекторная характеристика, снятая при , имеет вид, соответствующий обратной ветви вольтамперной характеристики диода. Однако величина тока коллектора, являющегося начальным неуправляемым током , при этом в десятки раз превышает величину обратного тока коллекторного перехода. Это объясняется тем, что ток коллектора , а при , т.е. ток коллектора создается всем потоком инжектированных из эмиттера в базу и переходящих в коллектор носителей заряда. Но при на эмиттерном переходе еще существует потенциальный барьер, а инжекция носителей заряда в базу невелика. Поэтому ток эмиттера и равный ему ток коллектора невелики, но созданный потоком основных носителей заряда из эмиттера значительно превышает обратный ток коллекторного перехода, создаваемый неосновными носителями при отсутствии инжекции из эмиттера, т.е. при .

Чем больше значение тока , при котором снимается коллекторная характеристика, тем выше она располагается, так как для увеличения тока необходима более интенсивная инжекция в базу неосновных носителей заряда, чтобы осуществлялась более интенсивная рекомбинация их с основными носителями заряда в базе. Это соответствует большему значению тока эмиттера, а следовательно, и тока коллектора.

Начальный круто восходящий участок каждой характеристики является нерабочим. Это участок малого напряжения , изменяющегося в пределах от 0 до 0,5 - 1,5 В. При малых значениях , соизмеримых с величиной , следует учитывать, что напряжение равно сумме напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах. Отсюда напряжение на коллекторном переходе . При из меньшего вычитается большее, т.е. знак меняется на противоположный. А это означает, что если в рабочем режиме полярность соответствует обратному напряжению на коллекторном переходе, то при она соответствует прямому напряжению. Наибольшее значение прямого напряжения на коллекторном переходе получается при , когда . По мере роста это прямое напряжение уменьшается и становится равным нулю при . Прямое напряжение на коллекторном переходе препятствует прохождению через него из базы в коллектор неосновных носителей заряда, которые инжектируются в базу из эмиттера. Поэтому уменьшение прямого напряжения на коллекторном переходе приводит к увеличению экстракции этих носителей из базы в коллектор, а это в свою очередь вызывает резкое возрастание тока коллектора.

При полярность изменяется на обратную для коллекторного перехода. Изменение напряжения на этом участке характеристик мало влияет на величину тока коллектора; рабочий участок характеристик идет полого, но круче, чем в схеме ОБ.

Следовательно, выходное сопротивление в схеме ОЭ велико, но меньше, чем в схеме ОБ:

(десятки килом). (2.9)

Увеличение коллекторного напряжения выше максимально допустимого приводит к пробою коллекторного перехода.

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, - это базовые характеристики, представляющие собой зависимость тока базы от напряжения база - эмиттер при постоянном напряжении коллектор - эмиттер:

(2.10)

При характеристика имеет вид прямой ветви вольтамперной характеристики диода. С увеличением постоянного напряжения , при котором снимается характеристика, она немного сдвигается вправо. Это объясняется тем, что увеличение обратного напряжения приводит к расширению коллекторного перехода за счет базы, уменьшению толщины базы и числа рекомбинаций в ней, а значит, и тока базы при том же значении напряжения .

Входные характеристики, как и прямая ветвь вольтамперной характеристики диода, начинается не из начала координат, а при некотором значении напряжения базы, называемом пороговым .

Входное сопротивление в схеме ОЭ не очень мало; оно гораздо больше, чем в схеме ОБ:

(сотни и тысячи Ом). (2.11)

Кроме рассмотренных семейств характеристик для практических расчетов представляют интерес еще две характеристики: проходная и передачи.

Проходная характеристика - это зависимость выходного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. Для схемы ОЭ это зависимость тока коллектора от напряжения база - эмиттер при постоянном напряжении коллектор - эмиттер:

(2.12)

Проходная характеристика может быть построена по точкам, взятым на входных и выходных характеристиках. Она начинается не из начала координат (так как ток коллектора появляется, когда ток базы ), а при значении напряжения , равном пороговому . Начальный участок ее пологий, а с дальнейшим увеличением характеристика становится круто восходящей и практически линейной. При транзистор остается закрытым, ток ; при транзистор открывается.

Характеристики прямой передачи называют зависимость выходного тока от входного. Для ОЭ это зависимость тока коллектора от тока базы при постоянном напряжении коллектора:

 (2.13)

Эта характеристика выходит из начала координат. С увеличением тока базы возрастает и ток коллектора; сначала медленно, а затем быстрее и практически линейно.

На характеристики транзистора оказывает сильное влияние температура: с повышением температуры коллекторные характеристики, снятые при том же значении тока базы, располагаются выше. Влияние температуры в ОЭ значительно больше, чем в ОБ. Основная причина перемещения характеристик вверх - значительное увеличение обратного тока коллекторного перехода, который в ОЭ увеличивается в десятки - сотни раз. Кроме того, усиление тока в ОЭ также возрастает с повышением температуры.

В ОК входным током является ток базы , а выходным - ток эмиттера . Входное напряжение создается между базой и общей точкой входной и выходной цепей, к которой через источник постоянного тока подключен по сигналу коллектор, поэтому входное напряжение - , а выходное - на сопротивление нагрузки, включенной между эмиттером о общей точкой, - является напряжением . Как видно из схемы рис. 1.6, в, во входной цепи на эмиттерном переходе действует два напряжения - от источника сигнала и на резисторе нагрузки , причем приращения этих напряжений находятся в противофазе, так что фактически напряжение на переходе равно их разности и очень мало. Этим объясняется соотношение , но разность между ними невелика.

Таким образом, в ОК практически не усиливается напряжение, а усиливается только ток; во столько же раз усиливается мощность сигнала. Из-за отсутствия усиления напряжения, снимаемого с эмиттерной нагрузки, простейший усилитель, построенный по ОК, называют эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК очень велико, так как ток базы протекает под действием большой разности напряжений и имеет малую величину:

(десятки килоом). (2.14)

Выходное сопротивление ОК, наоборот, очень мало; значительно меньше, чем в ОБ и ОЭ.

При снятии статистических характеристик источник усиливаемых колебаний и резистор нагрузки не включают. В этом случае ОК становится точно такой же, как ОЭ. Поэтому статические входные и выходные характеристики в этих двух схемах одинаковы [1, 9].

Раздел 3. Параметры транзисторов

3.1 Первичные и вторичные параметры

Для оценки свойств транзисторов наряду с их характеристиками используют параметры. Различают две группы параметров: первичные и вторичные.

К первичным относят собственные параметры транзистора, характеризующие его физические свойства и не зависящие от включения:

- дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода в прямом направлении; составляет единицы и десятки Ом;

- объемное сопротивление базы; составляет сотни Ом;

- дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в обратном направлении; составляет сотни килоом;

- емкость эмиттерного перехода; составляет сотни пикофарад;

- емкость коллекторного перехода; составляет десятки пикофарад;

Влиянием емкостей и в области звуковых частот можно пренебречь.

Сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов зависят от режима транзистора и могут быть определены как дифференциальные сопротивления для данной рабочей точки по статическим характеристикам транзистора в схеме ОБ; сопротивление эмиттерного перехода - по входной характеристики как отношение малого приращения напряжения эмиттера к вызванному им приращению тока эмиттера при постоянном напряжении коллектора:

(3.1)

сопротивление коллекторного перехода - по выходной характеристике как отношение приращения напряжения коллектора к вызванному им малому приращению тока коллектора при постоянном токе эмиттера:

(3.2)

К неудобству использования первичных параметров транзистора , , и следует отнести то, что их невозможно непосредственно измерить с помощью измерительных приборов, поскольку точки для подключения прибора находятся внутри структуры транзистора [8].

К параметрам транзистора относятся также дифференциальные коэффициенты тока в трех схемах включения. Учитывая их зависимость от режима, коэффициенты усиления тока определяют как отношение приращения выходного тока к вызвавшему его малому приращению входного тока при данном неизменном выходном напряжении.

Для схемы ОБ коэффициент усиления тока б:

(3.3)

Для схемы ОЭ коэффициент усиления тока в:

(3.4)

Для схемы ОК коэффициент усиления тока г:

(3.5)

Коэффициенты усиления тока, называемые также коэффициентами передачи тока, в разных схемах включения транзистора связаны соотношениями:

(3.6)

Коэффициенты усиления тока б и в могут быть определены по входным характеристикам транзистора в схемах включения ОБ и ОЭ.

Сущность вторичных параметров можно объяснить, представив транзистор в виде активного четырехполюсника, имеющего два входных и два выходных вывода и усиливающего сигнал. Входные величины обозначают индексом «1», а выходные - индексом «2»: и - входные ток и напряжение, и - выходные. Все рассуждения справедливы при условии, что сигналы, т.е. приращения , , , и , малы.

Эти четыре величины взаимно связаны и влияют друг на друга. Для расчета выбирают две из них в качестве независимых переменных, а две другие величины будут зависимыми переменными. Для них составляется система из двух уравнений, связывающих их с независимыми величинами через коэффициенты, которыми могут быть только сопротивления, либо только проводимости, либо разные по размерности коэффициенты. Эти коэффициенты и являются вторичными параметрами. В выборе пары независимых переменных есть несколько вариантов. Соответственными будут и варианты выбора системы уравнений, а значит, и совокупности параметров для этой системы, называемой системой параметров. Существуют разные системы параметров: система Z-параметров (Z имеет размерность сопротивления), y-параметров (y имеет размерность проводимости), h-параметров и другие [2].

3.2 Схемы h-параметров

Наибольшее распространение при расчете транзисторных низкочастотных схем получили h-параметры. Их преимущество перед собственными параметрами состоит в том, что их удобно определять с помощью измерений в схеме включения транзистора, причем для этого легко создать требуемые режимы по переменному току: короткое замыкание на выходе, соответствующее условию (или ), и холостой ход на входе, соответственно, (или ).

Для определения h-параметров составляется система уравнений, в которой независимыми переменными являются и :

(3.7)

В этой системе имеется четыре параметра с разной размерностью: .

Индекс параметра представляет сочетание двух цифр, обозначающих соответствующую цепь: «11» (один-один) относится ко входной цепи; «22» (два-два) - к выходной; «21» (два-один) отражает зависимость выходной величины от входной, а «12» (один-два) - зависимость входной величины от выходной. Значение этих параметров следующее:

- входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении

 (3.8)

- выходная проводимость транзистора при неизменном входном токе

(3.9)

- коэффициент усиления тока при неизменном выходном напряжении

(3.10)

- коэффициент внутренней обратной связи по напряжению при неизменном входном токе

(3.11)

Поскольку в систему h-параметров входят сопротивление, проводимость и безразмерные величины, их иногда называют смешанными или гибридными параметрами. Эти параметры зависят от схемы включения транзистора и в разных схемах имеют разные значения. Поэтому к индексу добавляют букву, обозначающую схему включения: для схемы ОБ параметры ; для схемы ОЭ добавляется буква «э»; для схемы ОК добавляется буква «к».

Определение h-параметров по статическим характеристикам транзистора для схемы ОЭ, где определяется по одной входной характеристике, - по одной выходной, - по двум входным, - по двум выходным. Учитывая, что характеристики транзистора нелинейные и параметры зависят от режима работы, их определяют для рабочей точки по малым приращениям токов и напряжений:

(3.12)

Значения h-параметров для разных схем включения связаны соотношениями, из которых по h-параметрам одной схемы можно найти h-параметры другой. Например:

(3.13)

Кроме того, h-параметры можно выразить через первичные параметры транзистора:

(3.14)

В справочниках приводится коэффициент усиления тока в схеме ОЭ: .

Как видно из приведенных соотношений, б и в соответственно равны и .

Кроме рассмотренных параметров свойства транзисторов характеризуются величинами, определяющими номинальный и предельный режим работы и возможности использования транзисторов в различных устройствах. К ним относятся обратный ток коллектора, обратный ток эмиттера, граничная частота усиления тока, емкость коллекторного перехода.

Предельные режимы определяются максимально допустимыми значениями токов, напряжений и рассеиваемой мощности, которые нельзя превышать ни при каких условиях эксплуатации. К ним относятся максимально допустимые постоянные токи коллектора , эмиттера и базы , максимально допустимые максимальные напряжения , максимально допустимая постоянная мощность , которая выделяется на коллекторном переходе.

Частотные свойства транзистора зависят от влияния емкостей и . Несмотря на то, что емкость эмиттерного перехода на порядок больше, чем коллекторного, влияние в области высоких частот сильнее. Это объясняется тем, что емкость шунтирует очень малое сопротивление эмиттерного перехода , а емкость - очень большое сопротивление . Параметром транзистора, характеризующим его частотные свойства, является граничная частота, при которой коэффициент усиления тока уменьшается в v2 раз. Для схем ОБ это частота , при которой б уменьшается в v2 раз, а - то же для в в схеме ОЭ.

Поскольку ток базы в раз меньше тока эмиттера, то . Отсюда следует, что граничная частота в схеме ОЭ меньше, чем в схеме ОБ, и частотные свойства транзистора хуже [4].

Из рассмотрения принципа действия транзистора и его характеристик в схемах ОБ и ОЭ видно, что в схеме ОБ выходной ток практически повторяет по величине входной ток (схема не дает усиления тока); в схеме ОЭ выходной ток во много раз больше входного тока (происходит усиление тока). Следует добавить, Что в схеме ОК ток усиливается практически так же, как в схеме ОЭ, но она не дает усиление по напряжению. Очевидно, что наибольшее усиление мощности электрических колебаний дает схема ОЭ [4].

Раздел 4. Типы транзисторов и их системы обозначений

Транзисторы разделяют на типы в зависимости от их назначения по граничной частоте усиливаемого сигнала и по мощности; рассеиваемой на коллекторе.

По частотным свойствам транзисторы делят на низкочастотные (), средней частоты (), высокочастотные () и СВЧ ().

По максимально допустимой мощности, рассеиваемой коллектором, различают транзисторы малой мощности (), средней мощности () и большой мощности (). Для улучшения теплоотвода транзисторов средней и большой мощности используют радиаторы охлаждения; иногда роль радиатора охлаждения может играть корпус устройства, на котором укрепляется транзистор.

Систему обозначений полупроводниковых приборов, состоящую из букв и цифр, устанавливает ГОСТ 10862-72.

Первый элемент - буква или цифра, обозначающая исходный материал: Г или 1 - германий и его соединения, К или 2 - кремний и его соединения, А или 3 - арсенид галлия и другие соединения галлия. Цифры используют для приборов специального обозначения. В качестве второго элемента ставится буква Т. Третий элемент - трехзначное число, определяющее группу по электрическим свойствам и порядковому номеру разработки; устанавливается в соответствии со следующим распределением по сотням.

Малой мощности

низкой частоты от 101 до 199;

средней частоты от 201 до 299;

высокой частоты и СВЧ от 301 до 399;

Средней мощности

низкой частоты от 401 до 499;

средней частоты от 501 до 599;

высокой частоты и СВЧ от 601 до 699;

Большой мощности

низкой частоты от 701 до 799;

средней частоты от 801 до 899;

высокой частоты и СВЧ от 901 до 999;

Четвертый элемент - буква, указывающая разновидность типа из данной группы приборов по значениям параметров [1].

Примеры обозначения транзисторов:

ГТ108Б - германиевый транзистор малой мощности, низкой частоты, порядковый номер разработки 08, группа по параметрам Б [1].

Раздел 5. Расчетная часть

Транзистор МП10А включен в усилительный каскад по схеме с общим эмиттером. Каскад питается от одного источника с напряжением Е = 10 В. Для подачи смещения в цепь базы используется гасящий резистор. Известно, сто постоянная составляющая тока базы , амплитуда переменной составляющей тока базы , сопротивление резистора нагрузки , а максимально допустимая мощность, рассеивания коллектором, . Требуется:

а) построить линию ;

б) по выходным характеристикам найти: постоянную составляющую тока коллектора , постоянную составляющую напряжения коллектор - эмиттер , амплитуду переменной составляющей тока коллектора , амплитуду выходного напряжения , коэффициент усиления по току , выходную мощность , мощность, рассеиваемую на нагрузке постоянной составляющей тока коллектора , полную потребляемую мощность в коллекторной цепи , КПД коллекторной цепи з. Проверить, не превышает ли мощность, выделяемая на коллекторе в режиме покоя , максимально допустимую мощность ;

в) с помощью входных характеристик определить: напряжение смещения , амплитуду входного сигнала , входную мощность , коэффициенты усиления по напряжению и по мощности , входное сопротивление каскада , сопротивление резистора и емкость разделительного конденсатора . Диапазон усиливаемых колебаний 80 Гц- 5 кГц.

Решение. Поскольку во входной цепи транзистора при любой схеме включения протекает ток, то для расчета рабочего режима транзистора недостаточно одного семейства выходных характеристик, а требуется еще семейство, определяющее режим работы входной цепи.

Заметим, что в справочниках обычно одна входная характеристика, так как входные характеристики, снятые при различных выходных напряжениях, расположенных близко друг к другу.

На семействе выходных характеристик строим линию максимально допустимой мощности, используя уравнение

(5.1)

Подставляя в него значения , равные, например, -7,5; -10; -15 и -20В, получаем значения , равные 20; 15; 10 и 7,5 мА соответственно.

Затем, используя уравнение линии нагрузки , на семейство выходных характеристик наносим линию нагрузки:

при - первая точка линии нагрузки;

при - вторая точка линии нагрузки.

Точка пересечения линии нагрузки с характеристикой, соответствующей постоянной составляющей тока базы , определит рабочую точку. Ей будет соответствовать постоянная составляющая тока коллектора и постоянная составляющая напряжения .

Амплитуду переменной составляющей тока коллектора определим как среднюю:

(5.2)

Дальнейший расчет показан ниже.

Амплитуда переменного напряжения на нагрузке

(5.3)

Коэффициент усиления по току

(5.4)

Выходная мощность

(5.5)

Полная потребляемая мощность в коллекторной цепи

(5.6)

КПД коллекторной цепи

(5.7)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе постоянной составляющей коллекторного тока,

(5.8)

т.е. режим работы допустим.

Далее расчет ведем по семейству входных характеристик. Поскольку у транзисторов входные характеристики расположены близко друг к другу, то в качестве рабочей входной характеристики можно принять одну из статических входных характеристик, соответствующую активному режиму, например характеристику, снятую при . Это можно сделать в том случае, если источник усиливаемых колебаний работает как генератор тока, т.е. когда внутреннее сопротивление источника колебаний значительно больше входного сопротивления транзистора.

Из графика находим:

(5.9)

Амплитуда входного напряжения

(5.10)

Модуль коэффициента усиления по напряжению

(5.11)

Коэффициент усиления по мощности

(5.12)

Входная мощность

(5.13)

Входное сопротивление

(5.14)

Сопротивление резистора

(5.15)

Емкость конденсатора определяется из условия

(5.16)

где - низшая рабочая частота.

Итого:

(5.17)

Выводы

1. Анализ устройства и принципа действия транзистора показал, что транзистор может использоваться как усилитель электрических колебаний, и как переключатель. Рассмотрев характеристики в схемах с ОБ и ОЭ, можно сделать вывод, что наибольшее усиление мощности электрических колебаний дает схема ОЭ, тогда как в схеме ОБ выходной ток практически повторяет по величине входной ток - схема не дает усиления тока.

2. Построив входные и выходные статические характеристики заданного транзистора, определила такие величины как коэффициент усиления по мощности, выходную мощность, входную мощность, полную потребляемую мощность, КПД коллекторной цепи и др.

Список использованных источников

1. Федосеева Е.О., Федосеева Г.П. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник. - М.: Искусство, 1990 - 240с.

2. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. - М.: Сов. радио, 1980 - 424с.

3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1981 - 431с.

4. Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы. - М.: Высшая школа, 2002 - 378с.

5. Ефимов И.Е., Козырь И.Я. Основы микроэлектроники. - М.:. Высшая школа, 1983 - 411с.

6. Жеребцов И.П. Основы электроники. - Л.: Энергия, 1974 - 365с.

7. Жеребцов И.П. Основы электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1985 - 347с.

8. Шалимова К.В. - Физика полупроводников. - 2-е изд. - М.:. Энергия, 1976.

9. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника: учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь. - 1990 - 496с.

10. Герасимов В.Г. и др. Основы промышленной электроники. - М.: Высшая школа, 1978 - 315с.

11. Касаткин А.К., Немцов М.В. Электротехника, 4-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1983 - 412с.

12. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. Под. общ. ред. Горюнова Н.Н. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергаотомиздат, 1985 - 904с.

13. Твердо тіла електроніка. Навчальний посібник до курсового проекту./ Укл.: З.А. Никонова, О.Ю. Небеснюк, та ін. - Запоріжжя, 2005 - 40с.

14. Терехов В.А. Задачник по электронным приборам: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 280с.

15. Сборник задач по электротехнике и основам электроники. Под. ред. В.Г. Герасимова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1987 - 288с.

Размещено на Allbest.ru

...