Теория

Теория

Введение

Умение решать сложные научно-технические задачи ( основная функция современного инженера электронной техники.

Научиться решать такие задачи ( главная цель учебного процесса.

Для достижения успеха путь к сложным задачам должен начинаться с простого. Именно поэтому в учебно(методический комплект по каждому предмету должно входить пособие по решению задач. Решение задач способствует более глубокому усвоению лекционного материала, прививает навыки инженерного подхода к решению технических задач. Практические расчеты должны развивать у студентов четкое понимание пределов применимости тех или иных формул.

Задачи в основном составлены таким образом, что помимо знаний параметров и характеристик прибора требуется понимание физической сущности процессов, происходящих в них.

Данная работа ориентирована в основном на студентов заочного и вечернего факультетов специальности 2201, 2206, поэтому каждый новый раздел сопровождается довольно подробным теоретическим материалом. Часть задач в сборнике дана с подробным анализом и решением, рекомендациями к решению, с теоретическим обобщением. Учебное пособие может быть использовано студентами дневной формы обучения и не только по специальностям 2201, 2206, но и смежных с ними, связанных с проектированием радиоэлектронной аппаратуры.

Основные разделы из курса «Электроника» проработаны достаточно подробно теоретически и практически ( с помощью задач и примеров, но автор работы не ставил целью заменить данным пособием весь материал, который положено студенту изучать по программе названной дисциплины. Более подробное и детальное изучение курса «Электроника» рекомендуется по литературе, на которую ссылается автор в конце пособия.

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ

1.1. Общие сведения

Полупроводниками называют обширную группу материалов, которые по своему удельному электрическому сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Обычно к полупроводникам относят материалы с удельным сопротивлением ( = 103 ( 109 Ом(см, к проводникам
(металлам) ( материалы с ( ( 104 Ом(см, а к диэлектрикам ( материалы с (
(1010 Ом(см.

Электропроводность чистого полупроводника называется собственной электропроводностью. Характер электропроводности существенно меняется при добавлении примеси. В полупроводниковых приборах используются только примесные полупроводники, количество примеси строго дозируется ( примерно один атом примеси на 107 ( 108 атомов основного материала.

В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит использование свойств p-n-переходов.
В зависимости от функционального назначения прибора

различают:

Электрический переход в полупроводнике ( это граничный слой между двумя областями, выполненными из полупроводникового материала, имеющего различные физические характеристики.

Электронно-дырочный переход ( это граничный слой, обедненный носителями и расположенный между двумя областями полупроводника с различными типами проводимости.

Гетеропереходы ( это переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны.

Переход металл(полупроводник ( одна из областей является металлом, а другая ( полупроводником. Контакты металл(полупроводник, в зависимости от назначения, изготовляются выпрямляющими и невыпрямляющими.

2. Электронно-дырочный p-n-переход

Такие переходы могут быть cимметричными и несимметричными. В практике больше распространены несимметричные p-n-переходы, поэтому в дальнейшем теория будет ориентирована на них.

При симметричных переходах области полупроводника имеют одинаковую концентрацию примеси, а в несимметричных ( разную (концентрации примесей различаются на несколько порядков ( в тысячи и десятки тысяч раз).

Границы переходов могут быть плавными или резкими, причем при плавных переходах технологически трудно обеспечить качественные вентильные свойства, которые необходимы для нормальной работы диодов и транзисторов, поэтому резкость границы играет существенную роль; в резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной L.

Для электронно-дырочного p-n-перехода характерны три состояния: равновесное; прямосмещенное (проводящее); обратносмещенное(непроводящее).

Равновесное состояние p-n-перехода рассматривается при отсутствии напряжения на внешних зажимах. При этом на границе двух областей действует потенциальный барьер, препятствующий равномерному распределению носителей по всему объему полупроводника. Преодолеть этот барьер в состоянии лишь те основные носители, у которых достаточно энергии и они образуют через переход диффузионный ток Iдиф. Кроме того, в каждой области имеют место неосновные носители, для которых поле p-n-перехода будет ускоряющим, эти носители образуют через переход дрейфовый ток Iдр , который чаще называют тепловым или током насыщения I0. Суммарный ток через равновесный p-n- переход будет равен нулю(

Свободное движение носителей через электронно-дырочный переход возможно при снижении потенциального барьера p-n-перехода. Переход носителей из одной области в другую под действием внешнего напряжения называется инжекцией. Область, из которой инжектируются носители, называется эмиттером. Область, в которую инжектируются носители, называется базой.
Область эмиттера легируется примесными атомами значительно сильнее, чем база. За счет разной концентрации примесных атомов в несимметричных переходах имеет место односторонняя инжекция: поток носителей из области с низкой концентрацией примесных атомов (из базы) очень слабый и им можно пренебречь.

При прямой полярности внешнего источника равновесное состояние перехода нарушается, так как поле этого источника, накладываясь на поле p-n- перехода, ослабляет его, запрещенная зона перехода уменьшается, потенциальный барьер снижается, сопротивление перехода резко уменьшается, диффузионная составляющая тока при этом возрастает в «еu/(t » раз и является функцией приложенного напряжения

[pic] где ( t = kT/e ( температурный потенциал (при комнатной температуре ( t = =
0,025В); k ( постоянная Больцмана;

T ( температура; е ( заряд электрона.

Составляющая тока Iо в идеализированном переходе при воздействии прямого внешнего напряжения остается практически без изменения.
Следовательно, прямой результирующий ток через идеальный p-n-переход

[pic] и окончательно

[pic]

(1.1)

Уравнение (1.1) идеального p-n-перехода определяет основные вольтамперные характеристики полупроводниковых приборов.

При построении ВАХ перехода по (1.1) видно, что при напряжениях, больших нуля, характеристика идет настолько круто, что получить нужный ток, задавая напряжение, невозможно, поэтому для идеального p-n-перехода характерен режим заданного прямого тока, а не напряжения

[pic]

(1.2)

Если иметь в виду реальную ВАХ перехода, то учету подлежит омическое падение напряжения в слое базы, то есть внешнее напряжение распределяется между p-n-переходом и слоем базы (сопротивление базы rб при малой площади перехода может составлять десятки Ом), поэтому уравнение (1.1), описывающее статическую ВАХ (рис. 1.1) реального перехода, будет выглядеть следующим образом(

[pic] (1.3)

Величина прямого напряжения может зависеть от многих факторов:

1. От изменения прямого тока. Если диапазон изменения прямых токов составляет до двух порядков и более, то прямое напряжение при этом будет меняться существенно, но на практике диапазон изменения прямого тока гораздо уже, поэтому Uпр меняется незначительно, и в пределах такого диапазона его можно считать постоянным и рассматривать как параметр открытого кремниевого перехода ( U* (в нормальном режиме U* = 0,7 В, а в микрорежиме U* = 0,5 В).

Нормальный токовый режим: Iо = 10(15 А; Iпр= 10(3(10 ( 4 А (при таком диапазоне изменения прямых токов напряжение Uпр изменяется от 0,69 В до
0,64 В).

Микрорежим: Iо=10(15 А; Iпр= 10(5(10(6 А (при таком диапазоне изменения прямых токов Uпр изменяется от 0,57 В до 0,52 В).

2. От изменения теплового тока: чем меньше тепловой ток, тем больше прямое напряжение.

3. От изменения температуры: у германиевых переходов при повышении температуры Uпр может вырождаться почти до нуля.

4. От изменения площади перехода: прямое напряжение уменьшается с увеличением площади перехода.

При обратной полярности внешнего источника (обратносмещенное непроводящее состояние p-n-перехода) полярность внешнего источника напряжения совпадает с полярностью контактной разности потенциалов, потенциальный барьер p-n-перехода повышается, запрещенная зона перехода расширяется и при определенном Uобр диффузионный ток через переход почти прекращается. Носители каждой области оказываются "оттиснутыми" к краям полупроводника и лишь ток неосновных носителей продолжает течь через переход. Процесс захвата электрическим полем неосновных носителей и перебрасывание их в соседнюю область называется экстракцией.

При малых значениях обратного напряжения через p-n-переход будет наблюдаться движение и основных носителей, образующих ток, противоположно направленный току дрейфа(

[pic]

Результирующий ток через p-n-переход при действии обратного напряжения

[pic] (1.4)

Уравнение (1.4) описывает обратную ветвь обратносмещенного перехода
(рис. 1.1).

При Uобр, большем 3(t, диффузионный ток через переход прекращается.

Выше было отмечено, что ток Iо идеализированного перехода не зависит от приложенного напряжения, но реальный обратный ток перехода намного превышает величину Iо; необходимо четко отличать ток тепловой от тока обратного, получившего название тока термогенерации; в кремниевых структурах тепловой ток при комнатной температуре вообще не учитывается, так как он на 2(3 порядка меньше обратного тока. У германиевых переходов тепловой ток на 6 порядков больше, чем у кремниевых, поэтому в германиевых структурах этим током пренебрегать нельзя.

В реальном переходе наблюдается довольно значительная зависимость тока неосновных носителей от приложенного напряжения. Дело в том, что процессы генерации и рекомбинации носителей происходят как в нейтральных слоях областей "p" и "n", так и в самом переходе. В равновесном состоянии перехода скорости генерации и рекомбинации везде одинаковы, а при действии обратного напряжения, когда расширяется запрещенная зона, область перехода сильно обедняется носителями, при этом процесс рекомбинации замедляется и процесс генерации оказывается неуравновешенным. Избыток генерируемых носителей захватывается электрическим полем и переносится в нейтральные слои (электроны в n-область, а дырки ( в p-область). Эти потоки и образуют ток термогенерации. Ток термогенерации слабо зависит от температуры и сильно зависит от величины приложенного обратного напряжения; уместно вспомнить упрощенную формулу зависимости скорости движения электрона в ускоряющем электрическом поле от приложенного напряжения(

[pic].

С увеличением приложенного напряжения скорость электрона увеличивается, растет число соударений его с атомами в узлах решетки (ударная ионизация), что приводит к появлению новых носителей заряда. Увеличение числа зарядов приводит к увеличению тока неосновных носителей, температура перехода увеличивается, а это, в свою очередь, приводит к нарушению ковалентных связей и росту носителей. Процесс может принять лавинообразный характер и привести к пробою p-n-перехода (рис. 1.1). Различают следующие виды пробоев: туннельный (при напряженности поля перехода свыше 106 В/см, до точки
«а»); электрический (вызван ударной ионизацией, после точки «а»), этот тип пробоя иногда называют лавинным, при этом в переходе идут обратимые процессы и после снятия обратного напряжения он восстанавливает свои рабочие свойства. При электрическом пробое нарастание тока почти не вызывает изменения напряжения, что позволило использовать эту особенность характеристики для стабилизации напряжения;

[pic] тепловой возникает в результате сильного разогрева перехода (после точки «б»); процессы, которые идут при этом в переходе, необратимы, и рабочие свойства перехода после снятия напряжения не восстанавливаются (вот почему в справочной литературе строго ограничивается величина обратного напряжения на переходах диодов и транзисторов).

Рис. 1.1. ВАХ реального электронно-дырочного p-n-перехода

Вывод. Анализируя прямую и обратные ветви вольтамперной характеристики, приходим к выводу, что p-n-переход хорошо проводит ток в прямосмещенном состоянии и очень плохо в обратносмещенном, следовательно, p-n-переход имеет вентильные свойства, поэтому его можно использовать для преобразования переменного напряжения в постоянное, например, в выпрямительных устройствах в блоках питания.

1.2.1. Температурные свойства p-n-перехода

Уравнение (1.1) содержит температурно-зависимые параметры ( I0 и ( t.

I0 ( тепловой ток, или ток насыщения. Для идеального перехода I0 определяет величину обратного тока, а в реальных переходах I0 намного меньше обратного тока. Ток Iо сильно зависит от температуры (рис. 1.1): даже незначительные изменения температуры приводят к изменению Iо на

несколько порядков.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру для него, которая составляет

80(100 оС для германиевых диодов и 150(200 оС для кремниевых.

Минимально допустимая температура для диодов обычно лежит в пределах от
60 до (70оС.

У германиевых переходов ток I0 на шесть порядков больше, чем у кремниевых, поэтому при одинаковых условиях у них прямые напряжения на

0,35 В меньше и в зависимости от режима составляют 0,25(0,15 В (напряжение отпирания у германиевых переходов при повышении температуры вырождается почти в "0").

На рис. 1.1 прямая ветвь характеристики, снятая при 70 оС, сместилась влево: с повышением температуры вступает в силу собственная проводимость полупроводника, число носителей увеличивается, так как усиливается процесс термогенерации. Обратная же ветвь ВАХ (рис. 1.1) смещается вправо, то есть с повышением температуры до +70 оС электрический пробой в переходе наступает раньше, чем при температуре +20 оС. При увеличении обратного напряжения к тепловому току добавляется ток термогенерации. В сумме эти два тока образуют через обратносмещенный переход обратный ток Iобр. При изменении температуры новое значение обратного тока можно оп-

ределить из соотношения

[pic] (1.5) где Iобр.20 оС ( значение обратного тока при температуре не выше 27 оС
(берется из справочной литературы);

А ( коэффициент материала, из которого выполнен полупроводниковый прибор (Агермания = 2, Акремния = 2,5);

( t ( температурный потенциал, который при комнатной температуре равен 0,025 В, а при другой температуре ( t можно определить по формуле

[pic]

(1.6)

Таким образом, при увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в два раза у германиевых и в два с половиной раза у кремниевых диодов (1.5).

1.2.2. Частотные и импульсные свойства p-n-перехода

При воздействии на p-n-переход напряжения высокой частоты начинают проявляться инерционные свойства перехода: распределение носителей при достаточно быстрых изменениях тока или напряжения требует определенного времени. Внешнее напряжение изменяет ширину запрещенной зоны, высоту потенциального барьера, граничную концентрацию носителей (величину объемных зарядов в переходе), следовательно, p-n-переход обладает емкостью. Для p-n- перехода характерны два состояния (прямо- и обратносмещенное), поэтому эту емкость можно условно разделить на две составляющие ( барьерную и диффузионную. Деление емкостей на барьерную и диффузионную является чисто условным, но, учитывая тот факт, что значения их сильно отличаются, на практике понятие барьерной емкости удобнее использовать для обратносмещенного p-n-перехода, а диффузионной ( для прямосмещенного.

Барьерная емкость отражает перераспределение носителей в p-n-переходе, то есть эта емкость обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом, сосредоточенным по обе стороны от границы перехода. Роль диэлектрика у барьерной емкости выполняет запрещенная зона, практически лишенная носителей. Барьерная емкость зависит от площади перехода, от концентрации примеси, от напряжения на переходе(

[pic] где П ( площадь p-n-перехода (в зависимости от площади перехода барьерная емкость может изменяться от единиц до сотен пикофарад); ( ( диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала; Nд ( концентрация примеси; U ( напряжение на переходе.

Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пФ. При постоянном напряжении на переходе барьерная емкость определяется отношением
[pic], а при переменном [pic].

Особенностью барьерной емкости является то, что она изменяется при изменении напряжения на переходе (рис. 1.2); изменение барьерной емкости при изменении напряжения может достигать десятикратной величины, то есть эта емкость нелинейна, и при увеличении обратного напряжения барьерная емкость уменьшается, так как возрастает толщина запирающего слоя (площадь p- n-перехода).

Рис. 1.2. Зависимость барьерной емкости от напряжения

В силовых полупроводниковых приборах площадь p-n-перехода делается большой, поэтому у них велика величина барьерной емкости. Такие полупроводниковые диоды называют плоскостными. Если такой прибор использовать, например, для выпрямления переменного напряжения высокой частоты в постоянное, то барьерная емкость, зашунтировав переход, нарушает его одностороннюю проводимость, то есть переход теряет выпрямительные свойства, поэтому частотный диапазон плоскостных диодов ограничивается промышленными частотами. Но барьерная емкость может быть и полезной: приборы с явно выраженными емкостными свойствами (варикапы) используются для электронной перестройки контуров.

У точечных p-n-переходов площадь перехода мала, поэтому барьерная емкость невелика и частотный диапазон гораздо шире, чем у плоскостных.

Диффузионная емкость отражает перераспределение носителей в базе(

[pic] где ( ( время жизни носителей; Iпр ( прямой ток через диод.

Значение диффузионной емкости колеблется от сотен до тысяч пФ.

Диффузионная емкость также нелинейна и возрастает с увеличением прямого напряжения. Образование этой емкости схематично можно представить следующим образом. Эмиттером будем считать p-область, а базой n-область. Носители из эмиттера инжектируются в базу. В базе вблизи перехода происходит скопление дырок ( объемный положительный заряд, но в это время от источника прямого напряжения в n-область поступают электроны, и в этой облаcти, ближе к внешнему выводу, скапливается отрицательный объемный заряд. Таким образом, в n-области наблюдается образование двух разноименных зарядов "+Qдиф" и
"(Qдиф". При постоянном напряжении эта емкость рассматривается как отношение абсолютных значений заряда и контактной разности потенциалов
(прямого напряжения)(

[pic], а при переменном

[pic].

Так как вольт(амперная характеристика перехода нелинейна, то с увеличением внешнего напряжения прямой ток растет быстрее, чем прямое напряжение на переходе, поэтому и заряд "Qдиф" растет быстрее, чем прямое напряжение, и диффузионная емкость тоже увеличивается.

Диффузионная емкость является причиной инерционности полупроводниковых приборов при работе в диапазоне высоких частот и в режиме ключа, так как процесс накопления и особенно рассасывания объемного заряда требует затраты определенного времени.

На рис. 1.3, а, б и рис. 1.4, а, б даны упрощенные эквивалентные схемы полупроводникового перехода (простейшего диода) на низких и высоких частотах.

[pic]

На низких частотах сопротивления диффузионной и барьерной емкостей очень велики и не оказывают шунтирующего действия на переход, поэтому они не подлежат учету.

[pic]

Рис. 1.3. Эквивалентные схемы перехода на низких частотах( а ( для диффузионной емкости (Сдиф)( б ( для барьерной емкости (Сбар).

Сопротивление емкости в общем случае

[pic]

(1.7) где rp-n ( сопротивление прямосмещенного p-n-перехода; rобр ( сопротивление обратносмещенного p-n-перехода (rобл< rпр 0): эмиттерный переход находится под прямым, а коллекторный ( под обратным напряжением. Для активного режима формулы (2.11) и (2.12) упрощаются, так как при (Uк((3( t исчезают экспоненциальные составляющие, а если еще пренебречь током Iкб0 и величиной
1-(, то эти выражения вообще упрощаются:

[pic]

(2.13)

[pic]

(2.14)

Режим двойной инжекции или насыщения (при Uкб < 0): эмиттерный и коллекторный переходы находятся под прямым напряжением. Для режима двойной инжекции характерен спад коллекторного тока при неизменном токе эмиттера.
Это ( результат встречной инжекции со стороны коллектора.

Семейство входных ВАХ представляет узкий пучок характеристик, что свидетельствует о слабом влиянии коллекторного напряжения на входное напряжение. Наклон выходных коллекторных характеристик также показывает слабую зависимость коллекторного тока от коллекторного напряжения.

Тем не менее эта зависимость есть и объяснить ее можно с помощью эффекта Эрли.

Влияние эффекта Эрли на ход входных ВАХ заключается в следующем.
Изменение коллекторного напряжения приводит к изменению ширины базы.
Поскольку ток эмиттера , а значит и градиент концентрации носителей заданы, изменение ширины базы приводит к изменению граничной концентрации носителей, а это связано с изменением напряжения на эмиттерном переходе.

Влияние эффекта Эрли на наклон выходных коллекторных характеристик объясняется влиянием коллекторного напряжения на ширину запрещенной зоны, а следовательно, и на сопротивление коллекторного перехода, и на коллекторный ток. Таким образом, дифференциальное сопротивление коллекторного перехода обусловлено эффектом Эрли, поэтому полное выражение для коллекторного тока с учетом эффекта Эрли будет

[pic]

(2.15)

Наклон коллекторных характеристик транзистора в схеме с ОЭ

(рис. 2.7, б) выражен сильнее, нежели в схеме с ОБ. Это говорит о том, что сопротивление коллекторного перехода и напряжение пробоя у транзистора в схеме с ОЭ будут значительно меньше, чем в схеме с ОБ. Эту особенность можно объяснить тем, что приращение (Uкэ частично падает на эмиттерном переходе, то есть вызывает приращение (Uбэ, что неизбежно повлечет за собой увеличение эмиттерного тока и дополнительное приращение коллекторного тока.

[pic] [pic]

Рис. 2.7. Статические ВАХ n-p-n-транзистора в схеме с ОЭ: а ( входные; б ( выходные (затемнена область неуправляемых токов)

Сопротивление коллекторного перехода в предпробойной области уменьшается в 1+( раз, наклон ВАХ быстро возрастает и пробой перехода наступает значительно раньше, чем в схеме с ОБ

[pic] где: rкп.оэ ( сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ; rкп.об ( сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОБ.

Принципиальные отличия схем включения транзисторов с ОБ и с ОЭ.

1. У транзистора в схеме с ОБ отсутствует усиление по току, но усиле-

ние по напряжению в этой схеме лучше, чем в схеме с ОЭ.

2. Схема на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, является лучшим усилителем мощности, так как в ней происходит усиление и по току и по напряжению.

3. У транзистора в схеме с ОБ хуже согласующие свойства, чем

в схеме с ОЭ.

4. Сопротивление коллекторного перехода у транзистора в схеме с ОБ больше, чем в схеме с ОЭ в (1+() раз., следовательно, напряжение пробоя коллекторного перехода у транзистора в схеме с ОБ больше, чем в

схеме с ОЭ.

5. Температурные и частотные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с ОЭ.

6. У транзистора в схеме с ОБ слабее, чем в схеме с ОЭ, выражен эффект
Эрли (влияние коллекторного напряжения на коллекторный ток и на входное напряжение более заметно в схеме с ОЭ.

2.6. Статические параметры транзистора по переменному току

Все параметры транзистора по переменной оставляющей тока можно выделить в две группы.

1-я группа ( первичные (rэ, rб, rк, (); нельзя путать первичные параметры по переменной составляющей тока (rэ, rб, rк) с параметрами по постоянной составляющей тока (rэо, rбо, rко), так как первые из них учитывают еще и нелинейные свойства транзистора. Определить их можно из Т- образных схем замещения транзистора по переменному току.

2-я группа ( вторичные (формальные).

Во вторую группу входят четыре системы параметров:

1) система h-параметров (смешанные или гибридные параметры);

2) система Y(q)-параметров (параметры проводимости);

3) система Z (r)-параметров (параметры сопротивлений);

4) система S (s)-параметров (параметры СВЧ-диапазона).

2.6.1. Система h-параметров (смешанные или гибридные параметры)

Система h-параметров ( это система низкочастотных малосигнальных параметров. Для анализа этой системы параметров транзистор рекомендуется представлять в виде активного четырехполюсника (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Транзистор в виде активного четырехполюсника

Чтобы исключить взаимное влияние цепей активного четырехполюсника, h- параметры измеряются в двух режимах: а) режим холостого хода (Х.Х.) со стороны входа (на входе включается большая индуктивность); б) режим короткого замыкания (К.З.) со стороны выхода (на выходе включается конденсатор большой емкости, при этом путь тока по постоянной составляющей сохраняется, а по переменной получается режим короткого замыкания.
Физическая сущность h ( параметров(

1) h11( сопротивление транзистора на входных зажимах по переменной

составляющей тока, Ом, определяется в режиме К.З. со стороны выхода(

[pic] (при U2 = const);

(2.16)

2) h22 ( проводимость транзистора на выходных зажимах транзистора,

Сим (определяется в режиме Х.Х. со стороны входа)

[pic](при I1= const).

(2.17)

На практике удобнее пользоваться выражением 1/h22(

3) h21 ( статический коэффициент передачи тока со входа на выход, определяется в режиме К.З. со стороны выхода

(h21об ( (; h21оэ ( ()([pic] (при U2 = const); (2.18)

4) h12 ( коэффициент внутренней обратной связи, показывает какая

часть выходного напряжения через элемент внутренней связи попадает на вход (определяется в режиме Х,Х, со стороны входа):

[pic] (при I1= const).

(2.19)

Система h-параметров называется смешанной, или гибридной, потому что параметры имеют разные размерности.

Схема замещения транзистора в системе h-параметров представлена

на рис. 2.9.

В схеме замещения (рис. 2.9) отражены: а) активные свойства транзистора (с помощью генератора тока h21I1); б) внутренняя обратная связь по напряжению в транзисторе (с помощью генератора напряжения на входе h12U2); в) наличие входного сопротивления и выходной проводимости транзистора
(h11 и h22 соответственно).

[pic]

Рис. 2.9. Схема замещения транзистора через систему h-параметров

2.7. Температурные и частотные свойства биполярного транзистора

Различают три основные причины зависимости коллекторного тока от температуры:

1) зависимость тока неосновных носителей Iкбо от температуры (этот ток удваивается при изменении температуры на каждые 10 оС у германиевых транзисторов и на каждые 7 оС у кремниевых;

2) напряжение эмиттер-база с увеличением температуры уменьшается
(примерная скорость этого уменьшения (Uбэ / (Т ( - 2,5 мВ/оС);

3) коэффициент передачи тока базы ( (h21) с повышением температуры увеличивается.

Самое ощутимое влияние на работу транзистора при повышении температуры оказывает ток Iкбо. За счет этого тока может произойти тепловой пробой коллекторного перехода.

Температурные свойства транзистора в схеме с ОБ лучше, чем в схеме с
ОЭ. Например, если при температуре 20 оС германиевый транзистор имел коэффициент передачи тока эмиттера h21 = 50, ток коллектора Iк = 100 мА, ток неосновных носителей Iкбо = 10 мкА, то при изменении температуры с 20 оС до 70 оС у германиевого транзистора в схеме с ОБ произойдет увеличение тока Iкбо в 32 раза (1.5), то есть ток Iкбо станет равен 320 мкА, а ток коллектора

Iк = 100,32 мА. Такое незначительное увеличение тока коллектора при изменении температуры на +50 оС практически не нарушит работу транзистора.

В схеме на транзисторе с ОЭ картина иная, так как сквозной ток через коллекторный и эмиттерный переходы Iкэо будет примерно в ( раз больше тока
Iкбо, то есть у того же транзистора, что использовался в схеме с ОБ, при изменении температуры на те же +50 оС произойдет увеличение тока неосновных носителей Iкэо до 16 мА, а коллекторного тока со 100 мА до

116 мА. Такое изменение тока коллектора основательно повлияет на режим транзистора и на его основные характеристики.
С повышением частоты усилительные свойства транзистора ухудшаются по двум причинам:

1) влияние диффузионной и барьерной емкостей эмиттерного и коллек- торного переходов;

2) появление фазового сдвига между переменными составляющими тока эмиттера и коллектора. Период подводимых колебаний становится соизмеримым со временем пролета носителей, в базе происходит накопление объемного заряда, за счет которого затруднена инжекция носителей в базу из эмиттера, так как на рассасывание заряда требуется определенное время. Коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается и становится комплексной величиной.

Для характеристики частотных свойств транзистора вводятся параметры: предельная частота транзистора fпр ( это такая частота, на которой статический коэффициент передачи тока эмиттера ( уменьшается в (2 раз по сравнению с «(», измеренном на частоте 1000Гц; граничная частота транзистора fгр ( это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице. На любой частоте в диапазоне 0,1fгр < f < fгр модуль коэффициента передачи тока базы изменяется в два раза при изменении частоты в два раза; максимальная частота генерации ( наибольшая частота, при которой транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи. Приближенно эта частота соответствует выражению

[pic] где fгр ( граничная частота в МГц; (к = r’бСк ( постоянная времени цепи обратной связи, определяющая устойчивость усилительного каскада к самовозбуждению; r’б ( распределенное омическое сопротивление базовой области; Ск ( емкость коллекторного перехода.

8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ

2.8.1. Общие сведения

Рабочим режимом транзистора принято называть его работу под нагрузкой.
Функциональная схема усилителя в общем виде представлена на рис. 2.9.

[pic]

Рис. 2.9. Функциональная схема электронного усилителя

В усилителях, эквивалентная схема которого представлена на рис. 2.9, источник управляющей энергии называется источником сигнала, а цепь

усилителя, в которую поступают его электрические колебания, ( входом.

Устройство, к которому подводят усиленные колебания, называется нагрузкой, а цепь усилителя, к которой подключают эту нагрузку, ( выходом.
Устройство, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, называют источником питания (обычно используют источник постоянного напряжения, а исключение составляют параметрические усилители).

2.8.2. Рекомендации по выбору транзисторов при использовании их в усилительном и ключевом режимах

2.8.2.1. Выбор типа транзистора

При выборе типа транзистора в схему усилителя или ключа исходят из характера электронной схемы, а также требований к ее выходным электрическим параметрам и эксплутационным режимам. Особое значение имеет диапазон рабочих температур конструируемого устройства в целом.

Необходимо иметь в виду, что кремниевые транзисторы по сравнению с германиевыми лучше работают при повышенной температуре (вплоть до

125 оС ), но их коэффициент передачи по току сильно уменьшается при низких температурах.

Не рекомендуется применять мощные транзисторы в тех случаях, когда можно использовать маломощные, поскольку при работе мощных транзисторов, при малых токах, которые могут быть соизмеримы с обратным током коллектора, коэффициент передачи по току сильно зависит от тока, температуры окружающей среды, и, кроме того, мал по абсолютной величине. Использование мощных транзисторов без теплоотводов приводит к температурной неустойчивости работы транзистора.

Частотный предел усиления и генерирования транзисторов должен строго соответствовать схемным требованиям. Не следует применять высокочастотные транзисторы в низкочастотных каскадах, поскольку они склонны к самовозбуждению.

2.8.2.2. Выбор схемы включения

При выборе схемы включения транзистора по переменному току следует учитывать особенности различных схем.

Схема включения с ОБ обладает сравнительно малым входным и большим выходным сопротивлением, однако сравнительно небольшая зависимость параметров от температуры и более равномерная частотная характеристика выгодно отличает ее от других схем включения. В схеме с ОБ достигаются максимальные значения коллекторного напряжения, что важно для использования в ней мощных транзисторов.

Схема включения с ОЭ обладает наибольшим усилением по мощности, что уменьшает количество каскадов в схеме, но неравномерная частотная характеристика, большая зависимость параметров от температуры и меньшее максимально допустимое коллекторное напряжение снижают преимущества этой схемы включения. Входные и выходные сопротивления усилителя на транзисторах, включенных в схему с ОЭ, отличаются меньше, чем в схеме с ОБ, что облегчает построение многокаскадных усилителей.

Схема включения с ОК (эмиттерный повторитель) обладает большим входным и малым выходным сопротивлением. Это свойство находит широкое применение в согласующих каскадах. Частотная характеристика схемы сходна со схемой включения транзистора с ОЭ.

Порядок выбора схемы включения для транзисторов, работающих в режиме переключения, практически не отличается от случая работы их в усилительном режиме.

2.8.2.3. Выбор режима работы транзистора

При выборе режима работы транзистора не допускается превышение максимально допустимых значений напряжений, токов, температуры, мощности рассеяния, указанных в предельно допустимых режимах. Как правило, транзистор работает более устойчиво при неполном использовании его по напряжению и полном использовании его по току, чем наоборот. Не допускается работа транзистора при совмещенных максимально допустимых режимах, например, по напряжению и по току, и т.п.

Область рабочего тока коллектора Iк ограничена, с одной стороны, значением обратного тока коллектора Iкбо при максимальной рабочей температуре, и для устойчивой работы принимается Iк = 10 Iкбо.max, с другой стороны, Iк ограничен максимально допустимым значением Iк.max.

При выборе напряжения коллектора следует иметь в виду: максимальное напряжение коллектора ограничено его максимально допустимым значением в технических условиях (ТУ). Опыт показывает, что для повышения надежности и стабильности работы транзистора следует выбирать рабочее напряжение на коллекторе примерно 0.7 от максимально допустимого значения для соответствующей схемы включения, с учетом зависимости от температуры и тока коллектора.

При определении мощности, рассеиваемой транзистором, следует иметь в виду, что суммарная мощность по входу и выходу во всем рабочем диапазоне не должна быть выше максимально допустимого значения, указанного в ТУ.

2.8.3. Режимы усиления (класс «А», класс «В», класс «С», класс«Д»)

Режимы усиления выделены в несколько классов. Для усилителей наиболее распространенными классами усиления являются классы А, В, С, Д. На рис. 2.10, б даны временные диаграммы коллекторного тока в режимах усиления класса «А» и «В». Форма коллекторного тока дает представление об уровне нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя в зависимости от класса усиления.

В режиме класса «А» форма коллекторного тока почти идеальная, то есть уровень нелинейных искажений в выходном сигнале усилителя будет практически незаметен. Такая совершенная форма выходного тока возможна лишь в том случае, если рабочая точка задана на квазилинейном участке ВАХ (в данном случае это точка РТ1): положение РТ выбирают так, чтобы амплитуда переменной составляющей выходного тока была меньше тока покоя. В режиме класса»А» ток через транзистор течет непрерывно в течение всего периода изменения входного сигнала. Для оценки времени протекания тока через транзистор вводится понятие угла отсечки коллекторного тока «(» ( это половина интервала времени, в течение которого через транзистор течет ток.
Угол отсечки коллекторного тока выражен обычно в градусах или радианах. В режиме класса «А» угол отсечки коллекторного тока (А = 180о. К недостатку рассмотренного режима следует отнести низкий коэффициент полезного действия
(КПД < 0,5), так как в этом режиме велик коллекторный ток покоя Iкп. Из-за низкого КПД режим класса «А» рекомендуется использовать в каскадах предварительного усиления, а также в маломощных выходных каскадах.

В режиме класса «В» (на рис. 2.10, а ( РТ2) форма коллекторного тока далека от идеальной, то есть уровень нелинейных искажений, по сравнению с режимом класса «А», резко возрос. Но КПД усилителя достаточно высокий, так как ток покоя сильно уменьшился, поэтому режим класса «В» рекомендуется использовать в двухтактных выходных усилителях средней и большой мощности, надо отметить, что в чистом виде этот режим используется редко. Чаще в качестве рабочего режима используется промежуточный режим ( режим класса
«АВ» в котором меньше нелинейные искажения. Угол отсечки коллекторного тока в режиме класса «В» в идеальном случае (В = 90 о, а в режиме класса «АВ» (
< 90 о.

В режиме класса «С» ток покоя равен нулю, угол отсечки меньше, чем в режиме класса «В». Режим класса «С» рекомендуется использовать в мощных резонансных усилителях, где нагрузкой является резонансный контур.

В режиме класса «Д» транзистор находится в двух устойчивых состояниях ( открыт-закрыт, то есть режим класса «Д» ( это ключевой режим.

Рис. 2.10. Режимы усиления класса «А» и В: а ( передаточная ВАХ;

б ( временные диаграммы коллекторного тока для режимов кл. «А» и кл.

«В»; в ( временные диаграммы входного напряжения при разных положениях РТ

В качестве усилителей мощности на биполярных транзисторах наибольшее распространение получили схемы с общим эмиттером, так как при таком включении схема обеспечивает усиление и по току и по напряжению. Хорошим усилением по напряжению обладает схема усилителя на транзисторе с ОБ. но она не усиливает по току. Схема усилителя на транзисторе с ОК лучше других усиливает по току, но усиления напряжения в ней нет. Рабочий режим транзистора в схемах с ОЭ и ОБ характеризуется включением нагрузки в цепь коллектора (рис. 2.11, а, рис. 2.12, а соответственно), а в схеме с ОК ( в цепь эмиттера (рис. 2.12, б).

В зависимости от частотного диапазона характер нагрузки меняется; в диапазоне звуковых частот в качестве такой нагрузки используется обычный резистор, а в высокочастотном диапазоне ( избирательная система, например, колебательный контур. В связи с этим различают( усилители звуковых частот
(УЗЧ, прежнее название УНЧ) и усилители радиочастот (УРЧ, прежнее название
УВЧ). На рис. 2.11, а, б, даны упрощенные схемы УЗЧ и УРЧ соответственно.

В схемах рис. 2.11, а, б: ГЗЧ ( генератор напряжения звуковой частоты;
ГРЧ ( генератор напряжения радиочастот (высокой частоты).

Рис. 2.11. Схемы усилителей: а ( усилитель звуковой частоты; б ( усилитель радиочастот

2.8.4. Усилители напряжения звуковых и средних частот

Приведены анализ, сравнительная оценка схемам усилителей, способы подачи напряжения смещения в цепь базы, расчет элементов смещения и элементов температурной стабилизации положения РТ на ВАХ

Кроме схемы, данной на рис. 2.11, а, в электронике широко используются схемы усилителей на транзисторе с общей базой и общим коллектором (рис.
2.12, а, б соответственно).

На рис. 2.13, а дана схема одиночного каскада усилителя, выполненного также на транзисторе с ОЭ, но, в отличие от схемы

рис. 2.11, а, в ней используется другой метод подачи смещения в цепь базы.

[pic] [pic]

Рис. 2.12. Схемы усилителей ЗЧ: а ( с ОБ; б ( с ОК

[pic] [pic]

Рис. 2.13. Схема УЗЧ и его частотная характеристика а ( схема усилителя; б ( идеальная частотная характеристика усилителя

2.8.4.1. О назначении элементов в схемах уcилителей на рис. 2.11, а; рис. 2.12, а, б; рис. 2.13, а

Генератор переменной ЭДС (ГЗЧ) на входе усилителя ( напряжение этого генератора надо будет усиливать.

Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 предотвращают попадание постоянной составляющей на вход усилителя от генератора переменной эдс.
Сопротивления этих конденсаторов на самой низкой частоте должно быть минимальным, чтобы не произошло «завала» частотной характеристики на низкой частоте (срезы частот на низкой и на высокой частотах на

рис. 2.13, б).

Ек ( напряжение источника питания;

Сб ( конденсатор, блокирующий источник питания, предотвращает потери полезного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Ек.

Конденсатор Сэ устраняет ООС по переменной составляющей тока, чтобы не происходило уменьшения коэффициента усиления.

Резисторы Rб1, Rб2, Rэ ( элементы смещения и температурной стабилизации. Резистор Rк ( нагрузка в коллектоной цепи.

2.8.4.2. Автоматическая подача напряжения смещения в цепь

базы и температурная стабилизация положения рабочей точки

Для нормальной работы усилительного каскада (отсутствие нелинейных, частотных искажений, влияние температурного фактора и пр.) необходимо обеспечить требуемый режим при отсутствии входного сигнала, то есть установить определенные токи и напряжения, значения которых зависят от схемного решения усилительного каскада и от выбора рабочей точки на семействе его входных и выходных характеристик.

Рабочая точка на ВАХ задается постоянными составляющими токов и напряжений в режиме покоя. Вопрос задания рабочей точки (РТ) решается двумя способами ( она задается либо автономным независимым источником, либо автоматической подачей напряжения смещения в цепь базы. В реальных схемах усилителей отдается предпочтение второму способу, так как первый способ неэкономичен и особенно это заметно в многоступенных усилителях. В схемах рис. 2.11, а, 2.12, а, б, 2.13, а рабочая точка задается автоматической подачей напряжения смещения. В схемах усилителей на рис. 2.11 и 2.12, а рабочая точка задана методом фиксированного тока (через гасящий резистор
Rб1), а в схемах на рис. 2.12, б и рис. 2.13, а ( методом фиксированного напряжения (с помощью делителя напряжения из резисторов Rб1 и Rб2). При изменении температуры режим транзистора, как было отмечено выше, может измениться. Следовательно, важно не просто задать РТ на ВАХ, но надо еще и обеспечить ей температурную стабильность. Один из способов стабилизации положения РТ на ВАХ предложен в схеме рис. 2.13, а ( в цепь эмиттера включен резистор Rэ, на котором формируется напряжение обратной связи.
Напряжение на резисторе Rэ в цепи эмиттера (Uэп = IэпRэ) ( это напряжение отрицательной обратной связи (ООС); при изменении температуры за счет изменения сквозного тока Iкэо изменяется ток коллектора, следовательно, изменяется и постоянная составляющая тока в цепи эмиттера Iэп, при этом меняется и падение напряжения Uэп на резисторе Rэ. Следовательно, напряжение на базе уменьшается, ток базы уменьшается до заданного значения.
Таким образом, напряжение на Rэ изменяется пропорционально току коллектора, следовательно, в схеме усилителя действует ООС по току, которая и обеспечивает температурную стабилизацию РТ.

В параграфе 2.8.6 дана подробная информация об обратных связях в усилителях.

2.8.4.3. Расчет элементов смещения и температурной стабилизации

Сопротивление резистора смещения Rб1 в схеме рис. 2.11, а.

Резистор Rб1 и участок база-эмиттер транзистора образуют делитель напряжения в цепи источника Ек..

[pic]

(2.20)

Когда в схеме усилителя используется кремниевый транзистор, то напряжение, необходимое для отпирания эмиттерного перехода, составляет
0,6(0,9В. Обычное значение Uбэп = 0,7 В. Если пренебречь значением Uбэп, то станет ясно, что к резистору Rб1 прикладывается практически все напряжение источника Ек, следовательно этот резистор имеет боьшое сопротивление и как бы фиксирует ток базы транзистора (поэтому метод назван методом фиксированного тока).

Сопротивление резистора смещения Rб1 в схеме рис. 2.12, а. Методика определения сопротивления Rб1 в схеме усилителя на транзисторе с ОБ точно такая же, как и в схеме рис. 2.11, а.

Сопротивления резисторов смещения Rб1 и Rб2 в схеме рис. 2.13, а.

Токи, протекающие через Rб1,( это сумма токов делителя и базы покоя
(Iд и Iбп). Эти токи должны быть взаимно независимыми, поэтому ток делителя берется значительно больше, чем ток базы покоя. В мощных каскадах усиления ток делителя берется больше тока базы покоя в 3(5 раз, а в случае маломощного усилителя ( в 5(10 раз.

[pic]

Рис. 2.14. Схема замещения участка входной цепи для определения сопротивления резистора Rб2

Через резистор Rб2 течет ток делителя. Напряжение Uб2 = IдRб2 на сопротивлении резистора Rб2 ( это сумма напряжений Uбэп и Uэп. Напряжение смещения Uбэп получается в результате алгебраического сложения постоянных напряжений, которые формируются на резисторах Rб2 и Rэ и которые между собой включены последовательно, но встречно

(рис. 2.14).

За счет большого тока делителя напряжение на резисторе Rб2 будет практически фиксированным (поэтому такой метод подачи напряжения смещения назван методом фиксированного напряжения).

И окончательно сопротивления резисторов Rб1 и Rб2

[pic]

(2.21)

[pic]

(2.22)

Сопротивление резистора в цепи эмиттера Rэ (рис. 2.13, а)

[pic]

(2.22а) где Iэп = Iкп + Iбп ( постоянная составляющая тока эмиттера.

Если в условии задачи не оговорено значение Uэп, то можно ориентировочно принять [pic]

Сопротивление резистора Rк в цепи коллектора (рис. 2.13)

[pic]

(2.23)

В режиме глубокого насыщения, когда напряжения на транзисторе становится практически равным нулю (Uкэ ( 0,05(0,1), ток в цепи коллектора ограничивается только сопротивлением резистора Rк.

2.8.4.4. Анализ усилительных и фазоинвертирующих свойств усилительных каскадов при разных схемах включения транзистора

Обозначим коэффициент усиления по току через КI,, коэффициент усиления по напряжению через КU, коэффициент усиления по мощности через Кр, полезную мощность, выделенную в нагрузке через Рвых.

Определение параметров усиления в усилителях с элементами обратной связи подробно дан в параграфе 2.8.6 «Обратные связи в усилителях».

Из всех схем усилителей только схема на транзисторе с ОЭ инвертирует
(изменяет) фазу входного сигнала на выходе на противоположную, поэтому именно эту схему используют в качестве фазоинвертора. В ключевых схемах схема с ОЭ используется для выполнения логической операции логического отрицания (операция «НЕ»).

Анализ входного и выходного сопротивлений усилителей с обратной связью дан очень подробно в разделе 2.8.6, поэтому к этим параметрам мы вернемся в конкретных задачах с учетом частотного диапазона, в котором будет работать усилитель.

2.8.5. Графоаналитический расчет усилительных каскадов

Графоаналитический способ расчета позволяет использовать экспериментально определенные характеристики, поэтому ему чаще всего и отдается предпочтенье.

2.8.5.1. Построение нагрузочной характеристики

В основе графоаналитического способа расчета усилителя лежит построение нагрузочной характеристики по постоянному току на статических вольт-амперных характеристиках транзистора (рис. 2.15, б). Фактически линия нагрузки ( это вольтамперная характеристика резистора в цепи коллектора
(например, резистор Rк в схеме рис. 2.11, а), или двух резисторов
(например, резисторы Rк и Rэ в схеме рис. 2.13, а), то есть линия нагрузки представляет собой вольтамперную характеристику той части схемы усилителя, в состав которой не входит нелинейный активный элемент (транзистор). В основе построения нагрузочной характеристики лежит уравнение транзистора в рабочем режиме:
[pic]( для схемы рис. 2.11, а, [pic]( для схемы рис. 2.13, а.

В данном случае работаем по схеме рис. 2.11, а. Так как элемент Rк имеет линейный характер, то и характеристика будет в виде прямой линии. Она может быть построена по двум точкам, при этом достаточно использовать два крайних состояния транзистора:

1-е состояние: транзистор закрыт, его сопротивление равно бесконечности, ток через прибор прекращается и напряжение на нем Uк ( Ек ( это будет первая точка нагрузочной прямой (точка А); для конкретного транзистора расчетное Uкэ.доп должно быть больше Ек справочного.

Страницы: 1, 2