Вах биполярного транзистора

 

Рассмотрим транзистор, включенный по схеме, представленной на рис. 6.

Эта схема получила название  «схема с общим эмиттером» (ОЭ), так как эмиттер является общим во входной и выходной цепях.

Рис. 6 – Схема с общим эмиттером

 

Входными величинами являются напряжение база-эмиттер U бэ и ток базы I б, а выходными – напряжение коллектор-эмиттер U кэ и ток коллектора   I к.

Входная характеристика биполярного транзистора – это зависимость тока базы I б от напряжения база-эмиттер U бэ при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер U кэ: I б = f (U бэ) U кэ = const.

Если U кэ = 0 то поскольку база-эмиттерный переход смещён в прямом направлении - входная характеристика похожа на прямую ветвь ВАХ диода (рис.7).

Рис. 7 – Входная характеристика биполярного транзистора

 При этом ток эмиттера и напряжение база-эмиттер связаны экспоненциальной зависимостью, описывающей вольтамперную характеристику диода, смещенного в прямом направлении

,                                      (3)

где  — обратный ток база-эмиттерного перехода, – температурный потенциал.

При U кэ>0 возникает тепловой ток через закрытый база-коллекторный переход, который направлен встречно Iб, что вызывает смещение входной характеристики транзистора вправо и вниз.

Учитывая (1), получаем связь между током коллектора и напряжением база-эмиттер

                                 (4)

Из (4) следует, что в активном режиме ток коллектора зависит от напряжения Uбэ и не должен зависеть от Uкэ.

    По входной характеристике можно рассчитать дифференциальное сопротивление база-эмиттерного перехода , величина которого существенно зависит от I_Б.

Выходная характеристика биполярного транзистора показана на рис. 8.

Рис. 8– Выходная характеристика биполярного транзистора

В активном режиме ток коллектора практически не зависит от напряжения на коллекторе, так как практически все заряды, выходящие из эмиттера попадают в коллектор. В активном режиме ток коллектора в основном зависит от тока базы.

Незначительный наклон выходных характеристик связан с уменьшением толщины базы при росте Uэк, что в свою очередь уменьшает количество рекомбинаций зарядов в базе и соответственно ток через база-эмиттерный переход.

Область отсечки лежит ниже кривой Iб = 0. В области насыщения величина напряжения Uкэ столь мала, что становится недостаточной для создания обратного смещения на коллекторном переходе. В режиме насыщения ток коллектора не зависит от тока базы, и все ветви выходной характеристики сливаются в одну.

На рис. 9 показана характеристика прямой передачи транзистора по току, для схемы с общим эмиттером, которая представляет собой связь между входным и выходным токами при U_КЭ = const.

Рис. 9 –Характеристика прямой передачи транзистора по току

По характеристике прямой передачи транзистора по току можно определить коэффициент передачи по току  в схеме с ОЭ.

Для использования биполярного транзистора в качестве усилителя в цепь коллектора подключается сопротивление Rк (рис. 10), величина напряжения на котором зависит от тока коллектора .

Выходное напряжение усилителя .

Рис. 10 – Усилитель на биполярном транзисторе

 

Для обеспечения работы усилителя в линейном режиме необходимо выбрать начальную рабочую точку на выходной характеристике, при помощи построения нагрузочной прямой. Нагрузочная прямая проводится через точки Eк/Rк на оси коллекторных токов и Ек на оси коллекторных напряжений.

Точки пересечений нагрузочной прямой с выходными характеристиками показывают выходные напряжения при различных токах базы (рис. 11).

 

Рис. 11 – Выбор начальной рабочей точки

Обычно начальная рабочая точка выбирается посередине отрезка нагрузочной прямой между областью насыщения и областью отсечки, что позволяет получить максимальную амплитуду изменений U_вых.

После выбора начальной рабочей точки по выходной характеристике можно определить начальный ток базы Iб нач., по которому при помощи входной характеристики найти начальную величину Uбэ.

Для установки начальной рабочей точки обычно используют источник питания Eк и делитель напряжения. Следует учитывать, что входные характеристики существенно зависят от температуры P-N-перехода, при ее изменении начальная рабочая точка может сдвигаться. Необходимо принимать меры по температурной стабилизации рабочей точки.

Коэффициент усиления по напряжению в схеме, показанной на рис.10 можно определить по формуле , коэффициент усиления по току по формуле .

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (рис.12) представляет собой кристалл полупроводника, очень слабо легированного примесью (на рисунке - акцепторной), что обуславливает его малую проводимость (в данном случае P-типа). В кристалле создана область с противоположной проводимостью, образующая с основной частью кристалла –N-P-переход. От противоположных концов области сделаны выводы: исток (И) и сток (С). От N-области третий вывод-затвор (3).

Рис. 12 –Полевой транзистор с P-N-переходом

 

Если напряжение на затворе относительно истока Uзи=0, вблизи P-N-перехода образуется обедненная зона (её граница в P-области показана штриховой линией). При подаче на сток напряжение относительно истока через область пойдет ток. В обедненной зоне основные носители отсутствуют, поэтому проводящим будет канал в P-области сечением, лежащий за пределами обедненной зоны.

Из теории P-N-перехода известно, что приложение к нему обратного (запирающего) напряжения приводит к расширению обедненной зоны и, следовательно, к уменьшению проводящего сечения канала. Его сопротивление возрастает, ток уменьшается. При увеличении до некоторого Uзи называемого напряжением отсечки, проводящее сечение станет равным нулю, ток практически прекратится. Таким образом, изменяя Uзи можно управлять Ic.

Подача прямого напряжения на P-N-переход полевого транзистора не применяется, так как при прямых Uзи>0,1 В, возникает значительный ток затвора и транзистор выходит из строя.

Полевой транзистор с P-N-переходом работает при обратном напряжении, поэтому ток затвора чрезвычайно мал (порядка 10нА), а входное сопротивление, в отличие от биполярных транзисторов, очень велико.

Полевые транзисторы изготавливаются из кремния, так как невозможно получить германиевый кристалл с достаточно большим сопротивлением. Полевые транзисторы могут быть как с P-каналом, так и с N-каналом. Для последних, полярность питающих напряжений - противоположная. Условные обозначения на принципиальных схемах показаны на рис.13

 

Рис. 13 –Условные обозначения полевых транзисторов с P-N-переходом