Исследование свойств транзисторов

    20                                                                                                         100 
 
 

    10                                                                                                         10               
 

     0                                                                                                         1

                                                                                        1,0 

    На  графике в логарифмическая масштабе приведена относительная частотная характеристика максимального коэффициента усиления по мощности Кр макс, которым обладает транзистор в схеме с общей базой. Наклонный участок характеристики соответствует области частот, где выходное сопротивление транзистора определяется главным образом реактивным сопротивлением ёмкости коллекторного перехода Ск. На этих частотах 

    

Кр макс = , 

где f – частота усиливаемого сигнала.

    Плоская часть характеристики соответствует частотам, на которых влиянием ёмкостей Сэ и Ск можно пренебречь и где  Кр макс Вследствие большого разброса параметров rк и rб может иметь значение от 30 до 40дб.

    Таким образом, для того чтобы транзистор мог обеспечить усиление по мощности примерно 10000 раз (40 дб), необходимо выполнение условия 

    

 

    Если  необходимо получить усиление по мощности не менее 1000 (30 дб), то частота fмакс должна быть по крайней мере в 30 раз больше частоты сигнала. В тех случаях, когда от транзистора требуется усиление по мощности около 100 раз (20 дб), возможно применение транзисторов, у которых fмакс 10f.

    Обычно  в справочниках указывается величина fмакс высокочастотных транзисторов, у которых она исчисляется десятками мегагерц. У транзисторов, максимальная частота генерации которых составляет сотни килогерц или несколько мегагерц, обычно указывается предельная частота усиления по току в схеме с общей базой fа. Величина fа указывает частоту, на которую усиление по току в схеме с общей базой уменьшается до = 0,7 

    

 МГц, 

где fа – предельная частота усиления по току в МГц;

    rб – сопротивление базы на высоких частотах в Ом;

    Ск  – ёмкость коллекторного перехода в пикофарадах.

    Приближенное  значение fмакс можно определить и по другой формуле 

    fмакс = kfа , 

где к – коэффициент  пропорциональности.

    Для транзисторов с невысокой частотой fа (до 2 – 3 МГц) k = 2 – 3, для транзисторов, у которых fа = 20 – 30 МГц, k 1, а для более высоких значений fа k = 0,7 – 0,9.

    В большинстве случаев для высокочастотных  транзисторов можно допускать k = 0,7.

    Таким образом, если известна величина fа, то можно найти составляющее

 значение  f макс.

    Необходимо  указать, что коэффициент усиления по току в схеме с общей базой на высоких частотах измеряется модулем коэффициента , то есть его абсолютным значением .

    Значение  модуля коэффициента усиления по току на некоторой частоте f можно определить по формуле 

    

 

где - значение коэффициента на самых низких частотах (несколько сотен Гц).

    Из  формулы видно, что на частотах величина , а на частотах начинает резко снижаться. По этой причине для усилителей электрических сигналов подбираются транзисторы, у которых fа в несколько раз превышает максимальную частоту сигнала.

    В схеме с общем эмиттером зависимость от частоты максимального усиления по мощности точно такая же, как и для схемы с общей базой. Но снижение усиления по току происходит значительно быстрее, чем это наблюдается в схеме с общей базой.

    Усиление  по току на высоких частотах в схеме с общим эмиттером характеризуется модулем, т. е. абсолютной величиной коэффициента ,определяемым по формуле 

    

 

где - усиление по току на самых низких частотах;

    fm- граничная частота усиления по току для схемы с общим эмиттером, на которой .

    Частота, на которой  называется предельной частотой усиления по току в схеме с общим эмиттером и обозначается как : 

    

 

    Эта частота непосредственно не определяет каких – либо частотных пределов применения транзисторов. Однако она  указывает ту область частот, в пределах которой можно пренебречь частотной зависимостью параметров транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером.

 

    Шумовые характеристики транзисторов 

    Транзистор  так же, как и любой другой усилительный прибор, обладает некоторыми собственными шумами, наличие которых затрудняет усиление слабых сигналов. Если бы транзистор был идеальным усилительным устройством, то выходные шумы определялись бы только величиной тепловых шумов, действующих на входе усилителя. Шумовые характеристики выражаются коэффициентом шума Fш.

    Коэффициентом шума усилителя называется отношение  полной мощности шумов на выходе усиления к той части шумов на выходе, которая вызвана тепловыми шумами источника сигнала. Другими словами, коэффициент шума Fш указывает во сколько раз собственные шумы усилителя больше тепловых шумов выходного сопротивления источника сигнала.

    Обычно величина Fш оценивается в децибелах. Особенностью транзисторов является то, что для них величина Fш во многом зависит от режима по постоянному току, обратного тока коллектора, выходного сопротивления источника сигнала и частоты. Минимальный уровень шумов большинства типов плоскостных транзисторов наблюдается при Uк = 1,5 – 2 в, Iк = 0,2 – 0,5 ма, минимальном токе Iко и внутреннем сопротивлении источника сигнала = 300 – 1000 ам.

    От  самых низких частот до частоты  1000 Гц величина Fш уменьшается обратно пропорционально частоте. На частотах выше вплоть до некоторой частоты уровень Fш остаётся минимальным и независимым от частоты. На частоте выше величина Fш растёт примерно пропорционально квадрату частоты.

    Расчёты и эксперименты показывают, что на частоте  модуль крутизны входной характеристики составляет 70 % от своего значения на низких частотах, поэтому в технической литературе можно встретить и другое обозначение предельной частоты , называемой также предельной частотой крутизны 

    

 

    Таким образом, область частот, где наблюдается  заметный рост коэффициента шума, характеризуется значительным ухудшением усилительных свойств транзистора, вследствие чего использование транзисторов на частотах выше нецелесообразно.

    Обычно  коэффициент Fш измеряется га частоте 1000 Гц. При указанных выше режимах современные низкочастотные транзисторы на этой частоте могут иметь коэффициент шума от 3 – 5дб до 30 – 35дб. Высокочастотные транзисторы имеют намного меньше коэффициент шума, который в среднем составляет 6 – 10дб.

 

Полевые транзисторы.

Общие сведения 

    Униполярный (полевой) транзистор представляет собой полупроводниковый трёхэлектродный прибор, в котором управление током, создаваемым направленным движением носителей заряда одного знака между двумя электродами, достигается с помощью напряжения (электрического поля), приложенного к третьему электроду. Электроды, между которыми протекает рабочиё ток, носят названия истока и стока, причём истоком считается тот электрод, через которые носители втекают в прибор. Третий электрод называется затвором. Изменение величины рабочего тока в униполярном транзисторе осуществляется путём изменения эффективного сопротивления токопроводящего участка, полупроводникового материала между истоком и стоками называемого каналом. В зависимости от типа проводимости полупроводникового материала канала различают униполярные транзисторы с p и n каналом. В качестве исходного материала обычно используются кремний и германий, вследствие чего одни полярные транзисторы называются кремниевыми, другие – германиевыми.

    То  обстоятельство, что управление величиной рабочего тока униполярных транзисторов осуществляется с помощью канала, дало им второе наименование – канальные транзисторы. Третье название того же самого полупроводникового прибора – полевой транзистор характеризует то, что управление рабочим током осуществляется электрическим полем (напряжением), а не электрическим током, как это имеет место в биполярном транзисторе. Эта последняя особенность униполярных транзисторов, дающая возможность получать очень высокое входное сопротивление приборов, исчисляемое десятками и сотнями мегом, и определила их основное распространённое название – полевые транзисторы. Это название широко используется в научно – технической и радиолюбительской литературе.

    Следует отметить, что среди полевых транзисторов различаются два основных вида приборов – полевые транзисторы с p – n переходом между затвором и каналом и полевые транзисторы с изолированным затвором. Это различие обусловлено, с одной стороны, особенностями их изготовления, а с другой – своеобразием электрических характеристик и схем включения.

 

    Принцип действия и устройство

    полевого  транзистора с  p – n переходом 

                      Примесь n типа     заряд (З)                               Рис 1. Продольный                                

                Исток (И)                                                 Сток (С)      разрез полевого

                                                                                                      транзистора с p                     

                                                                                                       каналом и p – n

                                                                                                       переходом.

 

                        Кристалл p типа

                                                             Канал 

                                          p– n переход 

    На  рис.1 приведено условное схематическое  изображение продольного разреза  полевого транзистора с p каналом и p – n переходом. Как видно из этого рисунка, основой является малозаметная пластина полупроводника определённой проводимости ( в данном случае p типа), имеющая на противоположных концах два контакта, исток и сток, обозначённые сокращённо буквами И и С. Толщина пластинки в месте установки третьего электрода – затвора делается очень и очень малой, равной всего нескольким единицам или десяткам микрон. Электронно – дырочный переход получается путём вплавливания или диффузии соответствующей примеси, а управление сопротивлением канала производится за счёт изменения объёма канала полупроводника обеднённого основными носителями или подаче запирающего напряжения на переход. Изменение сопротивления приводит к изменению тока через транзистор. На рис. 1 область, обеднённая носителями, ограничена пунктирной линией.

    Своеобразная  форма и изменение объёма обеднённой области канала обусловлены тем, что канал транзистора делается из материала с малой концентрацией  примеси, высокоомного, тогда как  затвор – из материала с большой концентрацией примеси, низкоомного. Поэтому слой обеднённый подвижными носителями заряда, распространяется в область канала, расширяясь по направлению к стоку. Последнее объесняется тем, что величина запирающего напряжения для p – n перехода полевого транзистора возрастает с увеличением расстояния от истока и имеет максимальную величину у стокового конца. Связано это с влиянием дополнительного падения напряжения в канале при прохождении через него тока стока. Отсюда характерная форма обеднённого слоя на участке вблизи стока, вследствие чего ток стока может протекать только через ту часть канала, где ещё присутствуют основные носители заряда.