Исследование свойств транзисторов

    При малых напряжениях коллектора коэффициент  а растёт с увеличением напряжения. Это объясняется в основном тем, что при малых напряжениях  носители зарядов базы вяло втягиваются  в коллектор, но чем больше напряжение на коллекторе, тем энергичнее происходит втягивание. Нак5онец, при напряжении около 2 – 3 в практически все носители зарядов, оказывающиеся вблизи коллекторного перехода, попадают на коллектор. Поэтому дальнейший рост тока коллектора по мере увеличения напряжения на нём практически прекращается, а ток базы несколько уменьшается. При напряжении, близком к максимально допустимому для данного типа транзистора ( обычно 15 – 60 в, иногда более), вновь наблюдается заметный рост величины коэффициента а, которая может достичь единицы и более. Но такой режим работы практически не используется и обычно не рекомендуется, так как резко возрастает опасность выхода из строя транзистора.

    Зависимость величины коэффициента а от режима работы транзистора вызывает необходимость проведения измерений при относительно небольших приращениях тока эмиттера. Обычно в таких случаях величина приращения Iэ не превышает 5 – 10 % исходного значения тока эмиттера Iэ:

    Iэ < (0,05 – 0,1)Iэ.

    Зная  приращение тока эмиттера Iэ и величину коэффициента а, можно определить связанное с этим приращение тока базы Iб.

    Действительно ток базы Iб = Iэ – Iк. Если выразить ток Iк через Iэ, как        

Iк = аIк, то получим: Iб = Iэ – аIэ = Iэ (1-а). Отсюда следует:

    

    Учитывая, что величина величина весьма близка к единице, из последнего выражения можно сделать вывод: изменение тока эмиттера в раз больше связанного с ним изменения тока базы.

    Например, если , то

    

;

    если  , то

    

.

    Таким образом, изменяя величину тока базы, можно управлять током эмиттера и, следовательно, током коллектора.

    Усиление  транзистора по току зависит от схемы  включения транзистора.

    В зависимости от того, какой из трёх электродов транзистора является общим  для цепей двух других, различаются  три основные схемы (способа) включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Кроме  трёх основных, есть ещё четвёртая, комбинированная, схема включения, называемая схемой с разделённой нагрузкой. В схеме с разделённой частью нагрузки включена в цепь коллектора (как в схеме ОЭ), а другая часть – в цепь эмиттера (как в схеме ОК).

    В схеме с общей  базой входным электродом является эмиттер, выходным коллектор. В соответствии с этим входным параметром является ток эмиттера Iэ, выходным – ток коллектора Iк, а коэффициент усиления по току Кi для схемы с общей базой, как это было показано выше, равен:

    

    В схеме с общим  эмиттером входным электродом является база, выходным – коллектор. Это значит, что входным параметром является ток базы Iб, выходным – ток коллектора Iк, а коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером равен:

    

    Обычно  коэффициент усиления по току для  схемы с общим эмиттером обозначается буквой :

    

    Так как ток базы в большинстве  случаев в десятки – сотни  раз меньше тока коллектора, то величина коэффициента усиления должна быть много больше единицы. Действительно, после подстановки значений в формулу для получается: В этом большие преимущества схемы с общим эмиттером по сравнению со схемами с общей базой, усиление по току который не превышает единицы.

    В схемах с общим  коллектором входным электродом служит база, выходным – эмиттер. В соответствии с этим входным параметром является ток базы Iб, выходным – ток эмиттера Iэ. Коэффициент усиления по току Кi для этой схемы включения равен:

    

то есть усиление по току для этой схемы включения  примерно равно усилению по току схемы  с общим эмиттером.

    В схеме с разделённой  нагрузкой входным электродом является база, выходными – эмиттер и коллектор. Следовательно, входным параметром является ток базы Iб, выходными параметрами – токи эмиттера и коллектора, Iэ и Iк. Коэффициент усиления тока для эмиттерной цени равен , а для коллекторной - , то есть в среднем можно считать, что для обеих выходных цепей  

    Усиление  мощности 

    Когда говорится об усилительных свойствах  того или иного прибора, то обычно имеется в виду в первую очередь  усиление по мощности. Количественной оценкой усилительных свойств является коэффициент усиления по мощности Кр, показывающий, во сколько раз выходная мощность Рвых больше мощности, введённой во входную цепь прибора Рвх 

    

 

    Мощность  может выражаться через квадрат  тока или напряжения. В первом случае

    

вых;          вх 

Следовательно, 

 

где Кi – коэффициент усиления по току.

    Во  втором случае 

    

    

следовательно, 

 

    Где - коэффициент усиления по напряжению.

    В том случае, когда известна величина Кр, а требуется найти усиление по напряжению, можно воспользоваться  производной формулой: 

    

 

    Последняя формула часто используется для оценки усиления различных каскадов на транзисторах.

    Поскольку величина Кр не зависит от того, через  какие именно величины U и I её находили, то можно приравнивать между собой 

    

 

отсюда следует: 

. 

    Таким образом, зная коэффициент усиления по току Кi, а также величины входного и выходного сопротивлений, можно определить усиление по напряжению или мощности.

    В ряде случаев расчёт усиления по напряжению целесообразно производить по формуле:

 

где - крутизна входной характеристики транзистора, определяющая усилительные свойства прибора. Крутизна входной характеристики, называемая просто крутизной S, имеет размерность ток/напряжение, то есть а/в или ма/в и характеризует, насколько изменяется выходной ток усилительного прибора в амперах или миллиамперах при изменении входного напряжения на один вольт. В этом определение крутизны характеристики транзистора практически не отличается от известного определения крутизны характеристики электронных ламп.

    Основное  достоинство последней формулы  записи усиления напряжения в простоте её написания и применения, поскольку  отпадает необходимость в предварительных  громоздких расчётах коэффициента усиления тока и входного сопротивления. Используя некоторые приближённые выражения для определения величины S, можно быстро и с достаточной точностью рассчитать усилительные возможности самых разнообразных транзисторных устройств.

    Для анализа тех или иных транзисторных  устройств, кроме знания величин и S, необходимо учитывать эквивалентную схему замещения транзистора. В эквивалентной схеме замещения наиболее существенных физических процессов определённого режима работы транзистора в данном устройстве находят отражение в виде некоторых активных и пассивных элементов как, например, генератора тока, ёмкостей и активных сопротивлений.

    Эквивалентная схема, как правило, не учитывает  всю совокупность физических свойств  транзистора, а лишь только те из них, которые являются определяющими для данного режима работы и диапазона частот. Поэтому различаются эквивалентные схемы для усилительного режима, для режима переключения, низкочастотные, высокочастотные эквивалентные схемы и т. д.

 

    Частотные свойства транзисторов 

    Приведённые выше усилительные характеристики транзисторов были получены без учёта возможного влияния ёмкостей эмиттерного перехода Сэ и коллекторного перехода Ск, что вполне допустимо при усилении частот, исчисляемых килогерцами. На более высоких частотах с этими ёмкостями приходится считаться, так как их реактивное сопротивление становится соизмеримым с активными сопротивлениями соответствующих переходов. Влияние ёмкостей переходов проявляется в уменьшении входного и выходного сопротивления, что сказывается на усилительных свойствах транзисторов. Чем выше становится частота сигнала, тем меньшим усилением обладает транзистор. Наконец, на некоторых частотах выше определённого предела, свойственного каждому типу транзисторов, усилительные свойства полностью исчерпываются. Это значит, что, начиная с некоторой частоты, усиление транзистора по мощности становится меньше единицы.

    Наблюдаемое ухудшение усилительных свойств  транзисторов по мере увеличения частоты  сигнала физически связано со средним временем перемещения носителей электрических зарядов в базе в направлении от эмиттера к коллектору. В свою очередь, это время определяется средней скоростью и направлением движения носителей, а также толщиной базы.

    Чем тоньше базы, те меньше расстояние предстоит  пройти носителям, тем лучше частотные свойства транзистора. Например, предельная частота усиления по току fа изменяется обратно пропорционально квадрату толщины базы. Это значит, что уменьшение толщины базы, например, в 2 раза приводит к увеличению предельной частоты в 4 раза.

    Средняя скорость движения носителей зависит  от знака заряда и температуры  кристалла прибора, а направлённость движения определяется электрическим  полем, действующим в базе. Средняя  скорость движения электронов в 2 раза выше, чем дырок. В связи с этим считается, что при прочих равных условиях транзисторы типа n – p – n должны иметь предельные частоты вдвое выше, чем p – n – p, поскольку неосновными носителями заряда в первом случае являются электроны, а во втором – дырки, имея при этом в виду область базы.

    В плоскостных транзисторах, полученных сплавным методом, поле внутри базы практически  отсутствует, а поэтому носители заряда распространяются в базе только за счёт диффузии, то есть самопроизвольно  и ненаправленно.

    Если  внутри базы создать электрическое поле, ускоряющие движение носителей от эмиттера к коллектору, то тогда эти носители будут иметь дополнительную составляющую скорости в этом направлении, которая называется дрейфовой составляющей. Последние обстоятельство приведёт к уменьшению времени переноса зарядов, что улучшит частотные свойства транзистора. Такое поле можно создать, например, за счёт неравномерного распределения примесей в базе (максимальная у эмиттера, минимальная у коллектора), что обычно и делается на практике.

    Направленное движение электрических зарядов в электрическом поле называется дрейфом, поэтому транзисторы, в базе которых создаётся ускоряющее поле, называются дрейфовыми. В свою очередь, транзисторы, в базе которых отсутствует такое поле, называются бездрейфовыми.

    Таким образом, для улучшения частотных  свойств транзистора необходимо уменьшить толщину базы и создавать  ускоряющее электрическое поле в  базе. Сплавные транзисторы, как правило, имеют граничные частоты не выше 20-30 МГц, так как сам метод их изготовления не позволяет получить очень тонкую базу и необходимое распределение примесей в базе.

    Диффузионный  метод позволяет получать базовый  слой толщиной в несколько микрон и требуемое изменение концентраций примесей в базе, что даёт возможность  создавать транзисторы, работающие на высоких частотах, измеряемых сотнями мегагерц. Обычно такие транзисторы называются дрейфовыми или диффузионными в зависимости от того, что необходимо подчеркнуть: характер переноса носителей заряда или метод изготовления транзистора.

    Максимальной частотной генерации fмакс называется частота, на которой коэффициент усиления по мощности транзистора в схеме с общей базой равен единице, то есть .

    

    Относительная частота f/fмакс

     40                                                                                                         10000 
 

     30                                                                                                         1000