Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Температурні та частотні властивості транзистора.
Діапазон робочих температур транзисторів, визначаємий властивостями p-n переходів, такий самий, як і у напівпровідникових діодів. Особливо сильно на роботу транзисторів впливає нагрів и менше – охолодження. Дослідження показують, що при нагріві від 20 до 60˚ параметри площинних транзисторів змінюються наступним чином: rк спадає приблизно вдвічі, rБ на 15-20 %, а rЕ зростає на 15-20 %.
Уявлення про вплив нагріву на h- параметри дають графіки на рис. 10.17, побудовані для малопотужного площинного транзистора, включеного по схемі з загальною базою. Окрім зміни значення основних параметрів транзистора, нагрів викликає зміщення вихідних характеристик та зміну їх нахилу (рис. 10.18), що також порушує нормальну роботу приладу.
Особливо істотно впливає на роботу транзистора нагрів струму ІКБО. Приблизне значення струму при нагріві можна визначити з рівності:
На частотні властивості транзисторів великий вплив роблять ємності
p-n переходів. Зі збільшенням частоти ємнісний опір зменшується та шунтуюча дія ємностей зростає. Тому Т- образна еквівалентна схема транзистора на високих частотах, окрім чисто активних опорів rе , rБ, rк , містить емності Се та Ск, шунтуючі емітерний та колекторний переходи. Особливо шкідливий вплив на роботу транзистора робить ємність Ск, так як на високих частотах ємнісний опір є значно меншим, ніж опір rК, та колекторний перехід втрачає свої основні властивості. У цьому випадку вплив ємності СК аналогічне впливу ємності, шунтуючий p-n перехід у площинному напівпровідниковому діоді.
Другою причиною погіршення роботи транзистора на високих частотах е відставання по фазі змінного струму колектора від змінного струму емітера. Це зумовлено інерційністю процесу проходження носіїв заряду через базу від емітерного переходу до колекторного, а також інерційністю процесів накопичення та розсмоктування заряду у базі.
Час прольоту носіїв через базу τпр у звичайних транзисторів складає приблизно 0,1 мкс. Звичайно, цей час дуже малий, та на частотах порядку одиниць – десятків мегагерц стає помітний деякий зсув фаз між змінними складовими струмів ІЕ та ІК. Це призводить до збільшення змінного струму бази та зниження коефіцієнта підсилення по струму. Це явище ілюструється векторними діаграмами що наведені на рис. 10.19. Перша з них відповідає порівняно низькій частоті, на якій всі струми практично співпадають по фазі, а коефіцієнт β має найбільшу величину . На більш високій частоті затримка струму ІК на час τПР відносно струму ІЕ веде до появи помітного зсуву фаз φ між цими струмами. Зараз струм бази ІБ дорівнює не алгебраїчній, а геометричній різниці струмів ІЕ та ІК, внаслідок чого він помітно збільшується. На ще більш високій частоті коефіцієнт β стає ще меншим, внаслідок збільшення кута зсуву фаз φ та струму ІБ.
Оцінюючи частотні властивості транзистора, треба враховувати також, що дифузія – процес хаотичний. Неосновні носії зарядів рухаються різними шляхами. Тому носії, що одночасно увійшли в область бази, досягають до колектора у різний час. Таким чином, закон зміни струму колектора може не відповідати закону зміни струму емітера, що призводить до викривлення пісилюємого сигналу.
Необхідно відмітити, що зі збільшенням частоти коефіцієнт β зменшується значно сильніше, ніж α. Коефіцієнт α зменшується лише внаслідок впливу ємності СК, а на величину β впливає, крім цього, ще й зсув фаз між ІК та ІЕ. Отже схема з загальною базою має кращі частотні властивості, ніж схема з загальним емітером.
Для визначення коефіцієнтів підсилення по струму на частоті f можуть бути використані формули:
де α0 та β0 – коефіцієнти підсилення по струму при частоті f=0;
fα та fβ – граничні частоти транзистора в схемах з загальною базою та загальним емітером.
Для розширення частотного діапазону транзисторів необхідно збільшувати швидкість зміщення неосновних носіїв зарядів через базу, зменшувати товщину шару бази та колекторну ємність. При виконанні цих умов транзистори можуть успішно працювати на частотах порядку десятків та сотень мегагерц.
Транзистор як активний чотириполюсник
Пристрій, що має два вхідних та два вихідних зажила та має властивість підсилювати потужність підключаємих до нього ел. сигналів, отримало назви активного чотириполюсника.
Транзистор в загальному випадку являє собою активний нелінійний чотириполюсник. Його можна охарактеризувати сімейством нелінійних статичних хар-к, що зв’язують величини постійних напруг U1, U2 та струмів І1, І2 на вході та виході транзистора. Всі ці чотири величини зв’язані між собою, причому можна задати тільки дві з них, щоб визначити по статичним величинам дві інші величини. Величини що задаються є незалежними змінними. Дві інші величини являють собою ф-ії цих незалежних змінних.
Якщо взяти в якості незалежних змінних I1, U2, а в якості залежних U2 та I1 то можна записати:
Диференціюя величини U1 та І2 по I1, U2 отримаємо наступне рівняння:
;
Позначимо
;
.
Якщо на постійні складові струмів та напруг накладені достатньо малі сигнали змінної напруги и або і, то їхні амплітуди можна розглянути як невеликі прирости постійних складових. У цьому випадку можна записати:
Якщо відомі h параметри для схеми з загальною базою, то нескладно шляхом перерахунку отримати h параметри для схеми з загальним емітером та загальним колектором.
Система h – параметрів наз. гібридною, так як одні h- параметри визначаються у режимі холостого ходу на вході, а інші у режимі короткого замкнення на виході.
В сучасний час h- параметри знаходять велике використання при розрахунках транзисторних низькочастотних схем. Ці параметри легко визначаються експериментально, а також графічним шляхом по статистичних характеристиках транзистора.
Підсилюючі властивості тра нзисторів
Можливість підсилення електричних сигналів за допомогою транзистора вже була обговорена. Розглянемо деякі кількісні показ ники роботи транзистора як підсилювача для різних схем його включення.
На мал. 10.14 показані тири найпрос тіші підсилюючі схеми при включенні тран зистора з загальною базою (мал.. 10.14а), за гальним емітером (мал. 10.14б), загальним колектором (мал. 10.14в).
Основними показниками транзистор ного підсилювального каскаду при будь-якій схемі включення транзистора є:
Коефіцієнт підсилення по струму
Коефіцієнт підсилення по напрузі
Коефіцієнт підсилення по потужності
Вхідний опір (див. 10.14)
Для вказаних на мал. 10.14 трьох схем включення транзистора коефіцієнти підси лення по струму, напрузі та потужності ви значаються слідуючи ми виразами.
Схема з загальною базою:
Схема з загальним емітером:
Схема з загальним колектором:
З приведених виразів видно, що коефі цієнти підсилення по струму, напрузі та по тужності істотно залежать від схеми вклю чення транзистора, а також від величини від повідної вхідної напруги.
Для визначення вхідних напруг транзи стора скористаємось еквівалентними схе мами, які повинні відображати реальні влас тивості замінимих транзисторів. Широке використання отримали так звані Т-образні еквівалентні схеми (рис. 10.15)
При побудові еквівалентної схеми тран зистора виходять з того, що елементарний та колекторний переходи, також як і тонкий шар бази, мають деякі опори, які дорівнюють rэ, rк та rб. Тому найпростішою еквівалентною схе мою транзистора повинен слугувати ланцюг, складений з опорів rэ, rк та rб, з’єднаних між собою так, як показано на мал. У сучасних транзисторах у активному режимі роботи ве личина rє складає зазвичай десятки Ом, rб – сотні Ом а rк – сотні тисяч Ом. Тому підклю чивши до входу такої схеми джерело вхідного сигналу, ми утворимо у опорі rк та в навантаженні, приєднаній до вихідних клем 2, у багато разів менший струм, ніж струм у опорі rэ та у ланцюгу бази. Такий режим не відповідає реальним умовам роботи транзистора. В реальності через опір навантаження транзистора проходить струм . Тому необхідно змінити розподілення струму між гілками еквівалентної схеми. Це можна зробити під′єднавши паралельно опору rк в еквівалентній схемі додатковий генератор. Проходження цього струму у вихідному ланцюгу відповідає реальним умовам роботи схеми з загальною базою та дозволяє відбити підсилювальні властивості транзистора.
Порівнюючі властивості схем включення транзистора, працюючих у режимі підсилення, наведені в таблиці.
|
Тип схеми |
Підсилення |
Вихідний опір |
||
|
КІ |
КU |
КР |
||
|
ОБ |
1 |
До 1000 |
До 1000 |
Одиниці-десяті |
|
ОЕ |
10-100 |
100 |
До 10 000 |
Сотні |
|
ОК |
10-100 |
1 |
До 100 |
Десятки тисяч |
МДП- транзистори
На відміну від ПТ з керуючим р-n переходом, у яких затвор має безпосередній електричний контакт із суміжною областю струмопровідного каналу, у МДН-транзисторів затвор, що являє собою, наприклад, алюмінієву плівку (Аl), ізольований від зазначеної області шаром діелектрика. Тому МДН-транзистори відносять до класу ПТ з ізольованим затвором. Наявність діелектрика забезпечує високий вхідний опір цих транзисторів (1012 - 1014 Ом),
Частіше у якості діелектрика використовують оксид кремнію (Sі02,) і тоді ПТ називають МОН-транзистором (метал - окисид - НП). Такі транзистори бувають із вбудованим і індукованим каналами. Останні більш розповсюджені.
Конструкція МОН-транзистора з індукованим каналом и-типу зображена на рис.1.
Рис. 1- Конструкція МОНтранзистора з індукованим каналом.
При Uзв = 0 або від'ємному, Іс = 0 (два р-n переходи увімкнені назустріч). При позитивній напрузі на затворі відносно витоку поверхневий шар на межі НП з діелектриком збагачується електронами, які притягуються з глибини p-шару (де вони є завдяки тепловій генерації вільних носіїв заряду) до затвору: виникає явище інверсії НП у примежовій зоні, коли р-ша.р стає n-шаром. Таким чином, між зонами n-шарів наводиться (індукується) канал, по якому може протікати струм від стоку до витоку.
Вихідні ВАХ ПТ з ізольованим затвором подібні до ВАХ ПТ з керуючим р-n переходом, тільки характеристики проходять вище зі збільшенням напруги Uзв.
Умовні позначення МДН - транзисторів наведені на рис. 2.
а) б) в) г)
Рис. 2. - Умовні позначення МДН - транзисторів з каналами:
вбудованим n-типу(а); вбудованим p-типу (б); індукованим nпу (в); індукованим
р - типу (г)
ПТ широко використовують як дискретні компоненти електронних пристроїв, а також у складі інтегральних мікросхем.