Выпрямительные диоды средней мощности

К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300 мА — 10 А. Больший прямой ток этих диодов по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n- перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой площади p-n- перехода достаточно мал (несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.

Для улучшения условий теплоотвода в этих диодах применяют дополнительные охладители-радиаторы. Радиаторы изготовляют из металла, обладающего хорошей теплопроводностью (обычно сплавы алюминия) и развитой поверхностью для лучшей передачи теплоты в окружающую среду. Для улучшения излучающей способности радиаторы часто подвергают чернению. В качестве радиатора иногда может быть использовано шасси прибора. Для крепления радиатора корпус диода имеет стержень с винтовой нарезкой. Диоды с плоским основанием корпуса крепят (прижимают) к радиатору с помощью фланцевого соединения. Пример возможной конструкции выпрямительных диодов средней мощности приведен на рис. 3.4, а На рис. 3.4, б приведена вольт-амперная характеристика диода Д205 (I_{a .ср.доп} = 400 мА, U_{b доп} = 400 В).

 

 

Рис. 3.4. Конструкция кремниевых выпрямительных диодов средней мощности Д202 — Д205 (а): 1 — внешний вывод (анод); 2 — трубка (штенгель); 3 — стеклянный изолятор; 4 — корпус;
5 — внутренний вывод анода; 6 — алюминий; 7 —кристалл кремния; 8 — теплоотводящее основание; 9 — кристаллодержатель; 10 — внешний вывод (катод).
Вольт-амперная характеристика диода Д205 (б)

Мощные (силовые) диоды

К данному типу относятся диоды на токи от 10 А и выше. Отечественная промышленность выпускает силовые диоды на токи 10, 16, 25, 40 и т. д. до 1000 А и обратные напряжения до 3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте и охватывают частотный диапазон применения до десятков килогерц.

Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластина с p-n- переходом, создаваемым диффузионным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10—100 мм и толщиной 0,3—0,6 мм. Пример возможной конструкции мощного диода показан на рис. 3.5.

 

 

Рис. 3.5. Конструкция мощного кремниевого диода ВЛ-200: 1 — внешний гибкий вывод (анод); 2 — стакан; 3 — стеклянный изолятор; 4 — внутренний гибкий вывод анода; 5 —корпус;
6 — чашечка; 7 — кристалл с p-n- переходом; 8 — кристаллодержатель (катод);
9 — шпилька для крепления к радиатору

 

Рассмотрим некоторые специфические особенности мощных диодов.

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в p-n- переходе. В связи с этим здесь должны предусматриваться эффективные методы отвода теплоты. В установках с мощными диодами применяют воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении отвод теплоты производится с помощью радиатора и проходящего вдоль его теплоотводящих ребер потока воздуха. При этом охлаждение может быть естественным, если отвод теплоты в окружающую среду определяется естественной конвекцией воздуха, или принудительным, если используется принудительный обдув корпуса прибора и его радиатора с помощью вентилятора.

При жидкостном охлаждении в радиатор по специальным каналам пропускается теплоотводящая жидкость, например, вода, антифриз, трансформаторное масло, синтетические диэлектрические жидкости. В последние годы широкое применение получило испарительное охлаждение, основанное на отводе теплоты за счет образования пузырей пара у теплоотводящей поверхности охладителя. Образовавшийся пар поступает в теплообменник, связанный с внешней средой. Система испарительного охлаждения основана на принципе непрерывного замкнутого цикла: испарение жидкости в корпусе диода в результате его нагрева в процессе работы — конденсация паров в теплообменнике вследствие охлаждения — поступление охлажденной жидкости вновь к нагретой поверхности. В качестве жидкости при испарительном охлаждении применяют воду, этиловый спирт, фреон.

Другая особенность мощных диодов — необходимость их защиты от кратковременных перенапряжений, возникающих при резких сбросах нагрузки, коммутационных и аварийных режимах, а также атмосферных воздействиях. При этом к диоду прикладывается в обратном направлении помимо напряжения, обусловленного схемой (на которое производится выбор диодов), дополнительный импульс напряжения. При отсутствии защитных мер диод может выйти из строя.

Выход диода из строя связан вначале с электрическим пробоем p-n- перехода, который затем переходит в тепловой пробой, происходящий часто не внутри p-n- перехода, а в месте выхода его на поверхность кристалла. Причина заключается в том, что в реальном диоде в месте выхода p-n- перехода на поверхность имеются участки, в которых существенно сужена область объемного заряда. Это обусловливается рядом факторов (нарушение структуры кристалла, различные загрязнения поверхности и т. д.). Естественно, что напряженность поля в этих участках выше, а напряжение электрического пробоя ниже, чем внутри p-n- перехода. Поэтому при перенапряжениях возникает электрический пробой р-п- перехода в этих участках и весь обратный ток проходит через них. Плотность тока достигает достаточно больших значений даже при сравнительно небольших обратных токах. Температура в участке пробоя резко повышается, что в конечном счете приводит к тепловому пробою и расплавлению кремния вблизи участка пробоя.

Таким образом, защита силового диода от перенапряжений заключается в переводе возможного электрического пробоя p-n- перехода c поверхностных участков в объемные. Поверхностный пробой устраняют за счет создания косого среза (фаски) по поверхности пластины монокристалла и применения так называемого метода защитного кольца. Метод основан на внесении меньшей концентрации акцепторной примеси в периферийную кольцевую часть монокристалла по сравнению с внутренней. В связи с этим концентрация основных носителей заряда в периферийной части р- области будет меньшей, а толщина слоя объемного заряда (ширина p-n- перехода) — большей, чем в центральной части. Благодаря указанным мерам напряженность поля на наружной поверхности p-n- перехода будет существенно меньшей, чем в его внутренней области. При наличии перенапряжений возможный электрический пробой p-n- перехода может произойти только в объемной части, причем пробой носит лавинный характер. Поэтому силовые диоды с такой p-n- структурой называют лавинными.

Перенос возможного электрического пробоя в объемную часть перехода обеспечивает не только повышение и стабильность уровня напряжения лавинного пробоя U _л, но и значительное повышение мощности прибором при обратном напряжении благодаря его способности пропускать достаточно большой обратный ток без перегрева локальных участков. Последнее достигается тем, что лавинный пробой p-n- перехода носит объемный характер, распределяясь по большому числу микроканалов. Лишь при значительном обратном токе, когда пробой охватывает всю объемную часть перехода, в принципе возможен перегрев прибора и выход его из строя вследствие теплового пробоя. Поэтому действие импульсов перенапряжения должно быть кратковременным даже в случае применения лавинных диодов.

Рассмотрим подробнее параметры, характеризующие загрузку мощных диодов по току и напряжению и являющиеся важнейшими при их применении.

Токовая загрузка диода зависит от теплового режима работы его полупроводниковой структуры и характеризуется максимально допустимым средним значением прямого тока I _{а mах доп}. В справочниках на диоды указывается предельный прямой ток I _п, который представляет собой среднее за период значение длительно протекающего через диод импульсов тока синусоидальной формы при паузах в 180° (полупериод) и частоте 50 Гц. Току I _п соответствует максимально допустимая температура нагрева полупроводниковой структуры в условиях охлаждения, оговариваемых в справочниках на диоды.

Поскольку основным критерием токовой загрузки диода является допустимая температура его полупроводниковой структуры, отличие I _{а mах доп} от I _п зависит от конкретных условий охлаждения в реальном устройстве. Важную роль при выборе токовой нагрузки играет форма кривой тока, протекающего через диод, и частота. Так, например, при той же форме кривой прямого тока, для которой указывается ток I _п, но частоте, много меньшей 50 Гц, существенно будут сказываться колебания температуры полупроводниковой структуры, обусловливаемые повышением температуры при протекании импульсов тока и ее понижением при охлаждении в токовых паузах. Максимальное значение температуры может превысить допустимое, что приводит нередко к повреждению прибора. При этом ток I _{а max доп} следует выбирать меньше тока I _п. Данные для выбора диодов по току, соответствующие конкретным видам кривой протекающего тока, приводятся в справочниках. В основу расчетов положена мощность потерь в полупроводниковой структуре диода в процессе его работы. В подавляющем большинстве случаев ток I _п является предельно допустимым параметром использования диода по току при длительной работе.

Мощные диоды характеризуются также токовыми параметрами режима перегрузки и аварийного режима (ток рабочей перегрузки, ток аварийной перегрузки, ударный ток). Током рабочей перегрузки I _р.п называют среднее значение тока диода, не вызывающего превышения максимально допустимой температуры полупроводниковой структуры из-за малого (указываемого в справочниках) времени его протекания (I _р.п > I _{а max доп}). Току аварийной перегрузки I _а.п соответствует среднее значение прямого тока, воздействие которого допускается лишь ограниченное число раз за время службы прибора (I _а.п > I _р.п). При этом предполагается принятие защитных мер от выхода диода из строя. Ударный ток I _уд определяет максимальную амплитуду импульса аварийного тока синусоидальной формы длительностью 10 мс при нормируемой начальной температуре полупроводниковой структуры без последующего приложения обратного напряжения (I _уд > I _{a max доп}). При этом предполагается, что ко времени окончания действия ударного тока средства защиты успевают исключить дальнейшее протекание тока через диод.

Специфика работы мощных диодов проявляется и в необходимости более тщательного подхода к их выбору по обратному напряжению.

В процессе работы к диоду могут прикладываться периодически повторяющиеся дополнительные перенапряжения, обусловливаемые внутренними факторами (например, при переходе диода из открытого состояния в закрытое), а также случайные неповторяющиеся перенапряжения, вызываемые внешними причинами (атмосферными воздействиями или перенапряжениями в питающей сети). В связи с этим для выбора диода по напряжению используют три каталожных параметра: рекомендуемое рабочее напряжение U _p, определяющее максимально допустимое обратное напряжение диода без учета возможных перенапряжений; повторяющееся напряжение U _пи неповторяющееся напряжение U _нп, характеризующие значения обратного напряжения с учетом соответственно внутренних и внешних факторов (U _нп > U _п > U _p).

В ряде мощных преобразовательных установок требования к среднему значению прямого тока, обратному напряжению (или к обоим параметрам), превышают номинальные значения параметров существующих диодов. В этих случаях задача решается параллельным или последовательным (а при необходимости и параллельно-последовательным) соединением диодов.

Параллельное соединение диодов предназначено для увеличения суммарного прямого тока. Оно используется с принятием мер по выравниванию прямых токов приборов, входящих в группу. Это необходимо для исключения перегрузки по току отдельных диодов, приводящей к выходу их из строя вследствие перегрева. Причиной неравномерного распределения токов является несовпадение прямых ветвей вольт-амперных характеристик приборов ввиду разброса параметров. Неравномерность токораспределения в двух диодах при их непосредственном параллельном соединении вследствие различия прямых ветвей вольт-амперных характеристик иллюстрирует рис. 3.6, а. Для выравнивания токов используют диоды с малым различием прямых ветвей вольт-амперных характеристик (производят их подбор по прямой ветви вольт-амперной характеристики). Широко распространены также индуктивные делители тока (рис. 3.6, б). При введении в каждую из параллельных ветвей дополнительной индуктивности возникает э. д. с. самоиндукции при нарастании тока в ветвях, вследствие чего различие токов в параллельных ветвях, вызванное разбросом параметров диодов, становится менее ощутимым. Выравнивание токов может быть в принципе обеспечено и введением в параллельные ветви дополнительных активных сопротивлений, однако при этом создаются дополнительные потери мощности, особенно при больших токах.

 

 

Рис. 3.6. Прямые ветви вольт-амперных характеристик диодов, используемых для параллельного соединения (а); схема выравнивания токов диодов с помощью индуктивных делителей тока (б)

Последовательное соединение диодов предназначено для увеличения суммарного допустимого обратного напряжения. При воздействии обратного напряжения через диоды, включенные последовательно, протекает одинаковый обратный ток I_b (рис. 3.7, а). Однако ввиду неизбежного различия обратных ветвей вольт-амперных характеристик общее напряжение будет рас пределяться по диодам неравномерно. К диоду, у которого обратная ветвь вольт-амперной характеристики идет выше, будет приложено большее напряжение.

 

 

Рис. 3.7. Схема последовательного соединения диодов и обратные ветви их вольт-амперных характеристик (а); схема выравнивания обратных напряжений, прикладываемых к диодам (б)

 

Неравномерность распределения напряжения на последовательно работающих диодах является нежелательной. Превышение хотя бы на одном из диодов обратного напряжения над напряжением пробоя может привести к пробою не только данного, но и всех остальных диодов вследствие повышения на них обратного напряжения.

Для исключения неравномерного распределения обратного напряжения диоды в последовательной цепи шунтируют резисторами R (рис. 3.7, б). Выбор сопротивления шунтирующих резисторов производят, исходя из того, чтобы ток, протекающий через резистор R, был на порядок больше обратного тока диодов. При этом неидентичность обратных ветвей вольт-амперных характеристик диодов будет слабо влиять на равномерность распределения обратных напряжений.

 

9. Полупроводниковые стабилитроны.

 

Полупроводниковыми стабилитронами называют диоды, предназначенные для стабилизации уровня напряжения в схеме. Для этого используются приборы, у которых на вольт-амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока. Такой участок наблюдается на обратной ветви воль-амперной характеристики кремниевого диода в режиме лавинного или туннельного пробоя. Поэтому в качестве полупроводниковых стабилитронов используются плоскостные кремниевые диоды. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «С», например КС168А.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона изображена на рис. 3.8. На характеристике точками А и В отмечены границы рабочего участка. Положение точки А соответствует напряжению пробоя p-n- перехода, которое зависит от удельного сопротивления исходного материала, определяемого концентрацией примесей. Точка В соответствует предельному режиму, в котором на стабилитроне рассеивается максимально допустимая мощность.

 

 

Рис. 3.8. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона

 

Стабилитроны характеризуются следующими специальными параметрами.

Напряжение стабилитрона U _ст — напряжение на стабилитроне при заданном токе. Оно зависит от ширины запирающего слоя p-n- перехода, т.е. от концентрации примесей в полупроводниках. В случае большой концентрации примесей в полупроводниках. В случае большой концентрации примесей p-n- переход получается тонким и в нем доже при малых напряжениях возникает электрическое поле, вызывающее туннельный пробой. При малой концентрации примеси p-n- переход имеет значительную ширину и лавинный пробой наступает раньше, чем напряженность электрического поля становится достаточной для туннельного пробоя. Таким образом, подбором удельного сопротивления кремния можно получить требуемое напряжение стабилизации.

Практически при напряжениях стабилизации ниже 6 В имеет место только туннельный пробой, а при напряжении выше 8 В — лавинный. В интервале от 6 до 8 В наблюдаются оба вида пробоя.

Минимально допустимый ток стабилизации I _{ст min} — ток, при которой пробой становится устойчивым и обеспечивается заданная надежность работы.

Максимально допустимый ток стабилизации I _{ст max} — ток, при котором достигается максимально допустимая рассеиваемая мощность Р _max.

Дифференциальное сопротивление r _ст = d U _ст / d I _ст — отношение приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его приращению тока. Чем меньше r _ст, тем лучше стабилизация напряжения.

Температурный коэффициент стабилизации напряжения (ТКН), определяемый отношением относительного изменения напряжения стабилизации (Δ U _ст/ U _ст) к абсолютному изменению темепературы окружающей среды (Δ T _окр) при постоянном току стабилизации:

 

. (3.4)

 

У стабилитронов с лавинным пробоем ТНК положительный, а с туннельным — отрицательный. Для выпускаемых промышленностью стабилитронов значение ТНК колеблется от 0,001 до 0,2 %/К.

Для стабилизации низких напряжений (до 1 В) используют прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода при U _ст> U _к. В этом режиме также наблюдается слабая зависимость напряжения на диоде от проходящего тока. Такие приборы называют стабистрами. Характеристика стабистора приведена на рис. 3.9.

 

 

Рис. 3.9. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

 

Лучшие параметры по сравнению с кремниевыми имеют стабисторы, изготовленные из селена. Графическое изображение стабилитрона (стабистора) показано на рис. 3.10.

 

 

Рис. 3.10. Графическое изображение стабилитрона (стабистора)

 

В основном стабилитроны применяются для стабилизации напряжения. Схема стабилитрона напряжения показана на рис. 3.11. Стабилитрон присоединяют параллельно нагрузке R _н, а в общую цепь включают ограничительный резистор R, являющийся функционально необходимым элементом.

 

 

Рис. 3.11. Схема стабилизатора напряжения

 

Для схемы, показанной на рис3.11, справедливо уравнение

 

. (3.5)

 

После преобразования уравнения получим

 

. (3.6)

 

На основании уравнения (3.6) может быть построена нагрузочная прямая, точка пересечения которой с вольт-амперной характеристикой является рабочей. При изменении напряжения источника питания Е нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе (рис. 3.12, а), а при изменении сопротивления нагрузки изменятся ее наклон (рис. 3.12, б). При этом если рабочая точка не выходит из границ участка АВ, то напряжение на нагрузке остается практически неизменным. Следовательно, в данной схеме напряжение на нагрузке остается постоянным в некоторых пределах изменения напряжения питания и сопротивления самой нагрузки.

 

 

Рис. 3.12. К пояснению работы стабилизатора напряжения

 

С физической точки зрения принцип стабилизации напряжения в данной схеме объясняется следующим образом.

Увеличение напряжения источника питания на величину Δ E приводит к увеличению общего тока в цепи I = I _ст + I _н. Поскольку при изменении тока, проходящего через стабилитрон, напряжение на нем остается практически неизменным и равным напряжению стабилизации, то изменением тока нагрузки I _н можно пренебречь. Приращение напряжения источника питания на величину Δ E почти целиком произойдет на ограничительном резисторе R. При уменьшении напряжения источника питания на величину Δ E общий ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению тока, проходящего через стабилитрон. Если это уменьшение не вышло из пределов стабилизации, в этом случае при сохранении постоянного напряжения на нагрузке напряжение на резисторе R уменьшится на величину Δ E. Таким образом, наличие ограничительного резистора R в рассмотренной простейшей схеме стабилизатора напряжения является принципиально необходимым.

Изменение сопротивления нагрузки при неизменном напряжении источника питания не приведет к изменению напряжения на ограничительном резисторе R, а вызовет изменение тока, проходящего через стабилитрон.

Помимо стабилизации постоянного напряжения, стабилитроны используются в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых емкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.

Универсальными называют высокочастотные диоды, применяемые для выпрямления, модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов, частота которых не превышает 1000 МГц.

Вторым элементом обозначения универсальных диодов является буква «Д». На схемах они изображаются так же, как и выпрямительные диоды (см. рис. 3.2). Диод будет обладать односторонней проводимостью, если на частоте сигнала выполняется условие >> r _д.обр. Для выполнения этого условия необходимо уменьшать емкость С _зар. Это достигается использованием точечных p-n -переходов, обладающих малой площадью и малой зарядной емкостью. Диоды с такими переходами называют точечными.

Точечный p-n -переход образуется в точке контакта металлической иглы с пластинкой полупроводника n -типа. Для стабилизации свойств диода применяют электроформовку точечного p-n -перехода путем пропускания через него коротких импульсов тока. Энергия этих им пульсов должна быть достаточной для сплавления конца иглы с полупроводником.

Материал иглы подбирают так, чтобы он являлся акцептором для полупроводника n -типа. Например, иглу изготавливают из бериллиевой бронзы или покрывают ее конец индием, алюминием и т.д. При сплавлении происходит диффузия примесей в полупроводник, формируется область с проводимостью p -типа и образуется p-n -переход в форме полусферы. Емкость такого перехода составляет единицы пикофарад.

Малая площадь p-n -перехода и плохие условия отвода теплоты затрудняют получение прямых токов диода более 20 мА.

Большими прямыми токами характеризуются микросплавные диоды, у которых p-n -переход получается при электроформовке контакта между пластинкой полупроводника и иглой с плоским торцом. Увеличение площади p-n- перехода позволяет повышать прямые токи и улучшать условия теплоотвода. Корпус этих диодов изготавливают из стекла. У некоторых диодов на корпус наносят непрозрачное покрытие, исключающее воздействие света на кристалл полупроводника.

 

10. Варикапы.

 

Варикапами называют полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость барьерной емкости p-n -перехода от обратного напряжения. Они применяются в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью. Вторым элементом обозначения варикапов является буква «В». Варикапы делятся на подстроечные, умножительные, или варакторы. Условное графическое изображение варикапа показано на рис. 3.18. Подстроечные варикапы используются, например, для изменения резонансной частоты колебательных систем.

 

 

Рис. 3.18. Графическое изображение варикапа

 

На рис. 3.19 изображен колебательный контур, перестраиваемый с помощью варикапа. В этой схеме конденсатор С предотвращает замыкание напряжения смещения через индуктивность L.Его емкость обычно значительно превышает емкость варикапа — диода VD1. Поэтому резонансная частота контура определяется по формуле

 

f _{o =} , (3.7)

где С _в — емкость варикапа.

 

 

Рис. 3.19. Схема включения варикапа

 

Регулировкой напряжения смещения, подаваемого на диод с потенциометра R2 через резисторR1, можно изменять емкость диода и, следовательно, резонансную частоту колебательного контура. Резистор R1 предотвращает возможность шунтирования колебательного контура при перемещении движка потенциометра. Сопротивление резистора R1 выбирают большим резонансного сопротивления контура.

Варакторы применяются для умножения частоты сигнала. При этом используется нелинейность вольт — фарадной характеристики.

Основными специальными параметрами варикапов являются: номинальная емкость С _в, измеренная при заданном обратном напряжении U _обр; коэффициент перекрытия емкости К _с; определяемый отношением емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения; добротность Q, определяемая как отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь. Например, варикап КВ109А обладает следующими параметрами: С _в = 8…16 пФ при U _обр = 3 В, К _с = 4…6, Q = 300 при U _обр = 3 В и f = 50 МГц.

 

11. Туннельный и обращенный диоды

 

К туннельным относятся диоды, у которых за счет туннельного эффекта на прямой ветви вольт-амперной характеристики существует область с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Вторым элементом их обозначения является буква «И».

Туннельный переход электронов через p-n- переход возможен, если толщина перехода мала и энергетическим уровням, заполненным электронами одной области, соответствуют такие же свободные разрешенные энергетические уровни в соседней области. Эти условия выполняются в p-n переходах, образованных полупроводниками с высокой концентрацией примесей (10¹⁹—10^–21 см^–3). При этих условиях ширина p-n- перехода имеет порядок 10^–6 см, что обусловливает высокую напряженность электрического поля в переходе и вероятность туннельного прохождения электронов через его потенциальный барьер. В полупроводниках с такой концентрацией примесей атомы примеси взаимодействуют между собой и их уровни расцепляются в зоны, примыкающие в полупроводнике p-типа к валентной зоне, а в полупроводнике n-типа — к зоне проводимости. Такие полупроводники называют вырожденными. В них уровни Ферми расположены в зоне проводимости n-области и в валентной зоне p-области.

Вид вольт-амперной характеристики туннельного диода может быть пояснен с помощью энергетических диаграмм (рис. 2.25), при построении которых предполагается, что в зоне проводимости n -области все уровни от W _дн до W _{ф n} заняты электронами, а уровни, расположенные выше, свободны. В валентной зоне p -области все уровни от W _в до W _{ф p} свободны, а уровни ниже W _{ф p} заняты электронами (на рисунке эти уровни заштрихованы). Эти предположения идеализируют картину, но позволяют упростить изучение процессов прохождения тока, что допустимо при рассмотрении принципа работы диода.

 

 

 

Рис. 3.28. Вольт-амперная характеристика туннельного диода

 

При отсутствии внешнего напряжения (U = 0, рис. 3.28, д) уровень Ферми по всей системе одинаков (W _{в n} = W _{ф p}) и против занятых электронами уровней p -области располагаются занятые уровни n -области. Туннельный переход электронов невозможен, и ток равен нулю.

При подаче прямого напряжения уровни Ферми смещаются на величину W = q (рис. 3.28, а) и против части энергетических уровней, занятых электронами в n -области (двойная штриховка), окажутся свободные уровни в p -области.

В результате происходит туннельный переход электронов из n -области в p -области проходит прямой туннельный ток, пропорциональный площади перекрытия свободных разрешенных энергетических уровней валентной зоны p -области и заполн6енных энергетических уровней зоны проводимости n -области.

Туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока перекрытие не станет максимальным (рис. 3.28, б). При дальнейшем увеличении прямого напряжения площадь перекрытия соответствующих уровней и туннельный ток перекрытия соответствующих уровней и туннельный ток уменьшаются (рис. 3.28, в). При некотором прямом напряжении занятые электронами энергетические уровни зоны проводимости n -области окажутся целиком расположенными напротив энергетических уровней запрещенной зоны p -области. Туннельный переход электронов в этом случае окажется невозможным, и туннельный ток прекратится.

Наряду с туннельным переходом электронов при прямых напряжениях в диоде имеет место инжекция электронов из n -области в p -область и инжекция дырок из p -области в n -область, что вызывает прохождение через туннельный диод диффузионного тока, как и в обычных полупроводниковых диодах. Поэтому ток туннельного диода при U _пр = U _в имеет две составляющие: туннельную и диффузионную (рис. 3.28, г).

Дальнейшее увеличение U _пр приводит к росту диффузионного тока (рис. 3.28, е).

Если диод включается в обратном направлении, то уровни Ферми смещаются так, как показано на рис. 3.28, ж, и появляется возможность туннельного перехода электронов с заполненных уровней валентной зоны p-области на свободные уровни зоны проводимости n-области. Это приводит к появлению большого обратного туннельного тока.

Условное графическое изображение туннельного диода показано на рис. 3.29.

 

 

 

Рис. 3.29. Условное графическое изображение туннельных диодов

 

 

Поскольку для изготовления туннельных диодов используются вырожденные полупроводники, по характеру проводимости приближающиеся к металлам, рабочая температура этих диодов достигает 400°С.

Недостатком туннельных диодов является малая мощность из-за низких напряжений (десятые доли вольта) и малых площадей перехода.

Основные параметры туннельных диодов: напряжение и ток пика U _п и I _п; напряжение и ток впадины U _в и I _в; отношение токов I _п / I _в; напряжение раствора U_р, равное прямому напряжению, большему U _в, при котором ток равен пиковому; емкость диода С; отрицательная проводимость g _пер = d I / d U, определяемая на середине падающего участка вольт-амперной характеристики; сопротивление потерь r _п. Параметры зависят от выбора полупроводника (ширины запрещенной зоны) и степени его легирования. Увеличение концентрации доноров приводит к росту I _п и I _в. Повышение концентрации акцепторов увеличивает I _п, U _п, I _в и U _в. Напряжения U _п и U _р возрастают при увеличении ширины запрещенной зоны.

Время туннельного прохождения электронов через p-n- переход составляет 10^–13 с. На самом деле туннельные диоды работают с меньшим быстродействием из-за емкости диода и потерь. Предельная, или резистивная, частота f_r, на которой активная составляющая полного сопротивления цепи, представленной на рис. 3.30, обращается в нуль, находится по формуле

 

. (3.8)

 

 

 

Рис. 3.30. Эквивалентная схема туннельного диода

 

 

Максимальное значение этой частоты получается при r _п = 1 / (2 g _пер) и. Следовательно, частотные свойства туннельного диода определяются постоянной времени r _п С.

По своему назначению туннельные диоды делятся на усилительные, генераторные, переключательные. Туннельные диоды позволяют создавать усилители, генераторы смесители в диапазоне волн вплоть до миллиметровых. На туннельных диодах можно строить и различные импульсные устройства: триггеры, мультивибраторы и спусковые схемы с очень малым временем переключения.

Обращенные диоды

Обращенными называют полупроводниковые диоды, в которых вследствие туннельного эффекта проводимость при обратном напряжении значительно больше, чем при прямом.

Электронно-дырочные переходы обращенных диодов образуются полупроводниками с такой концентрацией примесей, что выполняется условие W _{ф n} = W _{дн n} и W_{ф p} = W_{в p .} При включении такого диода в обратном направлении за счет туннельного эффекта электроны из валентной зоны n -области переходят на свободные уровни зоны проводимости n -области, и через p-n- переход проходит большой обратный ток. Если включить диод в прямом направлении, то перекрытия зон не происходит, туннельный эффект не появляется и прямой ток определяется лишь диффузионным током. Вольт-амперная характеристика обращенного диода представлена на рис. 3.31.

 

 

Рис. 3.31. Вольт-амперная характеристика обращенного диода

 

Поскольку у этих диодов прямой ток меньше обратного, они названы обращенными. Условное графическое изображение обращенного диода показано на рис. 3.32. Третьим элементом обозначения этих диодов является цифра 4.

 

 

 

Рис. 3.32. Условное графическое изображение обращенного диода

 

 

Малая инерционность, связанная с туннельным прохождение тока, и большая кривизна характеристики обусловливают целесообразность использования обращенных диодов в детекторах и смесителях диапазонов СВЧ, в качестве переключательных и др.

 

12. Принцип действия биполярного транзистора.

 

Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность — таковы преимущества, благодаря которым транзистор вытеснил из большинства областей техники электронные лампы.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом электропроводности слоев и содержит два p-n- перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов р-п-р и п-р-п (рис. 4.1, а, б). Их условное обозначение на электронных схемах показано на рис. 4.1, в, г. В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний (германиевые и кремниевые транзисторы).

Трехслойная транзисторная структура создается по сплавной или диффузионной технологии, по которой выполняется и двухслойная p-n- структура полупроводниковых диодов. Трехслойная транзисторная структура типа р-п-р, выполненная по сплавной технологии, показана на рис. 4.1, д. Пластина полупроводника «типа является основанием, базой (отсюда и название слоя) конструкции. Два наружных р -слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной примеси при сплавлении с соответствующим материалом. Один из слоев называется эмиттерным, а другой — коллекторным. Так же называются и p-n- переходы, создаваемые этими слоями со слоем базы, а также внешние выводы от этих слоев.

 

 

Риc. 4.1. Полупроводниковая структура транзисторов типов p-n-р (а)и n-p-п (б);
их условные обозначения в электронных схемах (в, г); сплавная транзисторная структура типа р-п-р (д); пример конструктивного исполнения маломощного транзистора (е) :
1 — донце корпуса; 2 — колба; 3 — внутренний вывод эмиттера; 4 — таблетка индия;
5 — кристаллодержатель; 6 — пластина германия n -типа; 7 — таблетка индия;
8 —внутренний вывод коллектора; 9 — стеклянный изолятор

 

Функция эмиттерного перехода — инжектирование (эмиттирование) носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода — сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой. Чтобы носители заряда, инжектируемые эмиттером и проходящие через базу, полнее собирались коллектором, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода. Пример конструктивного исполнения маломощного транзистора показан на рис. 4.1, е. В транзисторах типа п-р-п функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящих через базу: в приборах типа р-п-р — это дырки, в приборах типа п-р-п — электроны.

Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на примере структуры типа р-п-р (рис. 4.2, а). Сначала покажем распределение концентрации носителей заряда в слоях транзисторной структуры и разности потенциалов, создаваемой объемными зарядами p-n- переходов, в отсутствие внешних напряжений (рис. 4.2, б, в).

 

 

Рис. 4.2. Транзисторная структура типа p-n-p (а),
распределение концентраций носителей заряда (б)
и внутренней разности потенциалов (в)в отсутствие внешних напряжений

 

Обозначение концентраций основных и неосновных носителей заряда здесь то же, что и для диода. Индекс «0» в обозначениях указывает на распределение концентраций в слоях в отсутствие внешних напряжений. Соотношение концентраций основных носителей заряда в эмиттерном и коллекторном слоях транзистора несущественно, и на рис. 4.2, б они приняты одинаковыми. Отличие же в концентрациях основных носителей заряда эмиттерного и базового слоев весьма важно, так как оно влияет (что будет показано в дальнейшем) на параметры транзистора, в частности на коэффициент передачи тока α. Концентрация основных носителей заряда в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей заряда в эмиттере, т.е. p_{p o} >> n_{n o}. Таким образом, для транзистора базовый слой должен быть более высокоомным, чем эмиттерный. Это достигается за счет использования высокоомного исходного полупроводника n- типа. С учетом того, что для определенной температуры произведение рп — величина постоянная, полная картина распределения концентраций в слоях транзистора будет иметь вид, показанный на рис. 4.2, б.

В отсутствие внешних напряжений на границах раздела трех слоев образуются объемные заряды, создается внутреннее электрическое поле и между слоями действует внутренняя разность потенциалов. Потенциальный барьер в каждом из переходов устанавливается такой величины, чтобы обеспечивалось равновесие диффузионного и дрейфового потоков носителей заряда, движущихся через переходы в противоположных направлениях, т.е. равенство нулю протекающего через них тока. Поскольку концентрации основных (и неосновных) носителей заряда в эмиттерном и коллекторном слоях приняты одинаковыми, потенциальные барьеры в обоих p-n- переходах будут равны. Если за нулевой уровень отсчета принять потенциал базы, то распределение разности потенциалов в транзисторе в отсутствие внешних напряжений будет иметь вид, показанный на рис. 4.2, в.

Внешние напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного перехода — в обратном направлении. Это достигается с помощью двух источников напряжения U _эи U _к(рис. 4.3, а). Напряжение U _эподключается положительным полюсом к эмиттеру относительно базы, напряжение U _к — отрицательным полюсом к коллектору относительно базы (схема с общей базой).

 

 

Рис. 4.3. Транзисторная структура типа p-n-p (а),
распределение концентраций носителей заряда (б),
и внутренней разности потенциалов (в) при наличии внешних напряжений

 

Изучим процессы, протекающие в эмиттерном переходе, базовом слое и коллекторном переходе транзистора.

Поскольку в эмиттерном переходе внешнее напряжение U _э действует в прямом направлении, потенциальный барьер для дырок — основных носителей зарядов эмиттерного слоя — уменьшается и дырки из эмиттера под действием диффузии будут в большем количестве переходить (инжектировать) в область базы (рис. 4.3, а, в). Аналогичным образом увеличится диффузионный поток электронов (основных носителей заряда области базы) в эмиттер. С учетом достаточно малой для смещенного в прямом направлении p-n- перехода составляющей дрейфового тока, создаваемой неосновными носителями заряда областей, ток эмиттерного перехода и цепи эмиттера можно записать в виде

 

I _э = I _{э р} + I _{э n} . (4.1)

 

Дырочная составляющая тока I _{э р} создается потоком дырок, переходящих из эмиттера в базу. Большинство дырок в последующем достигает коллектора и вызывает коллекторный ток транзистора. Электронная составляющая тока I _{э n} обусловлена движением электронов из базы в эмиттер. Она замыкается по входной цепи через источник U _эи не используется полезно (для создания тока в коллекторной цепи). Таким образом, функция эмиттерного перехода и процессы в эмиттерном переходе сводятся к инжекции носителей заряда (дырок) в базу.

Одним из важнейших показателей эмиттерного перехода является так называемый коэффициент инжекции γ, показывающий, какую часть от полного эмиттерного тока составляет его дырочная составляющая:

 

γ = I _{э р} / I _э. (4.2)

 

С точки зрения качества эмиттерного перехода необходимо, чтобы электронная составляющая эмиттерного тока I _{э n} была существенно меньше его дырочной составляющей I _{э р} . Это достигается значительным (на два-три порядка) превышением концентрации основных носителей заряда (дырок) в эмиттере над концентрацией основных носителей заряда (электронов) в базе (р_{p 0} >> п_{n 0}). Как указывалось, задача решается применением высокоомного исходного полупроводника для создания базового слоя и введением большой концентрации акцепторной примеси для получения эмиттерного слоя. Для выпускаемых промышленностью транзисторов коэффициент инжекции γ = 0,97÷ 0,995.

Процессы в базовом слое определяются в основном поведением дырок, перешедших в базу через эмиттерный переход. Инжектируемые дырки, попадая в базовый слой, повышают концентрацию дырок в базе вблизи эмиттера по сравнению с равновесной концентрацией р_{n 0}(рис. 4.3, б). На границе с эмиттерным переходом создается концентрация дырок р_п (0). Величину этой концентрации, зависящей от подведенного напряжения U _э, находят из соотношения, аналогичного для диода:

 

. (4.3)

 

Под действием концентрации р_п (0)развивается диффузионное движение дырок в базе в сторону коллектора, т.е. в направлении меньшей концентрации. Концентрация дырок в базе на границе с коллекторным переходом устанавливается близкой к нулю, так как дошедшие до коллекторного перехода под действием диффузии дырки ускоряются полем перехода и перебрасываются в коллектор. Установившееся при определенном напряжении U _э(определенном токе эмиттера и соответствующей величине р_п (0))распределение концентрации дырок в базе показано на рис. 4.3, б.

Ввиду относительно малой толщины базового слоя l _б(соизмеримой с диффузионной длиной дырок L_p)закон распределения концентрации дырок в базе при диффузии р_п (х)близок к линейному. Градиент концентрации дырок в базе определяет диффузионный ток дырок в ней в направлении коллекторного перехода.

Описанный характер движения дырок в базе возможен только тогда, когда количество находящихся в объеме базы дырок равно количеству электронов, а распределения их концентраций близки (объемный заряд дырок скомпенсирован объемным зарядом электронов), т.е. при условии электрической нейтральности базы.

Электроны, компенсирующие объемный заряд дырок, поступают по цепи базы одновременно с дырками, входящими в слой базы сразу же после подключения напряжений U _эи U _к. В установившемся режиме концентрации дырок р_п и электронов п_п близки. Распределение концентрации электронов на рис. 4.3, б показано пунктирной кривой.

Наличие дырок и электронов в базе приводит к тому, что в процессе диффузии некоторая часть дырок рекомбинирует с электронами (рис. 4.3, а). В результате актов рекомбинации количество дырок, дошедших до коллектора, не будет равно количеству дырок, поступивших из эмиттера, и, следовательно, дырочная составляющая коллекторного тока I _{к p} будет меньше дырочной составляющей эмиттерного тока I _{э р} . Вследствие рекомбинации некоторого числа дырок с электронами в процессе их движения через базу концентрация дырок уменьшается, что приводит к уменьшению их градиента концентрации по оси х и некоторому отличию кривой р_п (х)от линейного закона (рис. 4.3, б).

Вместе с тем акты рекомбинации дырок с электронами создают недостаток электронов, требующихся для компенсации дырок, постоянно входящих в базу из эмиттера. Необходимые электроны поступают по цепи базы, создавая базовый ток транзистора I _{б р} (рис. 4.3, а). Следовательно, разность между дырочными составляющими эмиттерного и коллекторного токов представляет собой ток базы, обусловленный рекомбинацией в ней дырок. В соответствии с этим запишем соотношение для дырочных составляющих токов транзистора:

 

I _{э р} = I _{к p} + I _{б р} . (4.4)

 

Для определения части дырок, прошедшей из эмиттера в коллектор, вводят коэффициент переноса дырок в базе δ, который равен отношению дырочной составляющей коллекторного тока к дырочной составляющей эмиттерного тока:

 

δ = I _{к р} / I _{э р} . (4.5)

 

Желательно, чтобы величина коэффициента δ как можно меньше отличалась от единицы. Способы приближения к единице коэффициента δ направлены на сокращение потерь дырок в базе за счет актов рекомбинации. Это достигается увеличением времени жизни дырок в базе и сокращением времени их нахождения в базе. Сокращение времени нахождения дырок в базе связано с уменьшением толщины базового слоя l _би увеличением скорости их прохождения через базу. Последнее используется в так называемых дрейфовых транзисторах путем создания в слое базы ускоряющего поля. Типовые значения коэффициента δ для транзисторов лежат в пределах 0,96—0,996.

Изложенное позволяет уяснить и роль коллекторного p-n- перехода, предназначенного для перевода дырок, достигших этого перехода, в коллекторную область (рис. 4.3, в).

Коллекторный ток транзистора I_к, обусловленный дырочной составляющей I _{к p} (рис. 4.3, а), связан с током эмиттера I _э коэффициентом передачи тока α:

 

α = I _{к р} / I _э. (4.6)

 

Умножив числитель и знаменатель равенства (4.6) на I _{э р} , получим

 

α = (I _{э р} / I _э)(I _{к р} / I _{э р} ) = γδ (4.7)

 

Следовательно, коэффициент α тем ближе к 1, чем меньше отличаются от 1 коэффициенты γи δ. Способы приближения к 1 коэффициента α связаны со способами увеличения коэффициентов γи δ (увеличение разности концентраций основных носителей заряда в слоях эмиттера и базы, увеличение времени жизни дырок в базе, уменьшение ширины базового слоя, создание ускоряющего поля в слое базы).

Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению дополнительной неуправляемой составляющей тока коллектора, обусловленной протеканием обратного тока коллекторного перехода I_к0 (рис. 4.3, а). Как известно, обратный ток создается дрейфом неосновных носителей заряда из близлежащих областей обратно включенного p-n- перехода, в данном случае концентрациями дырок р_{n 0}в базе и электронов п_{р 0}в коллекторе (см. рис. 4.2, б).

 

 

Рис. 4.4. Диаграмма составляющих токов в транзисторе

 

Поскольку концентрации неосновных носителей заряда зависят от температуры, величина обратного тока также зависит от нее, поэтому этот ток часто называют тепловым. От величины тока эмиттера ток I _к0 не зависит. На рис. 4.4 дана наглядная картина протекания токов через транзистор в рассматриваемой схеме.

В соответствии с изложенным ток эмиттера I _э равен сумме дырочной I _{э р} и электронной I _{э п} составляющих: I _э = I _{э р} + I _{э п} . Ток коллектора I _к состоит из дырочной составляющей I _{к р} и теплового тока I _к0 (I _{к =} I _{к р +} I _к0). Ток базы I _б равен алгебраической сумме электронной составляющей тока эмиттера I _{э п} , рекомбинационной дырочной составляющей I _{б р} и теплового тока I _к0 (I _б = I _{э n} + I _{б р} – I _к0).

Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока I _к под действием подводимого входного тока I _э (или напряжения U _э), обусловливается изменением дырочной составляющей коллекторного тока I _{к p} за счет изменения дырочной составляющей эмиттерного тока I _{э р} (рис. 4.4). Таким образом, принцип действия биполярного транзистора основан на создании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении коллекторным (выходным) током за счет изменения эмиттерного (входного) тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется током.

Основное соотношение для токов транзистора составляется по первому закону Кирхгофа:

 

I _э = I _к + I _б. (4.8)

 

С учетом теплового тока I _к0 и соотношения (1.21) токи I _к и I _б можно выразить через I _э:

 

I _{к =} α I _э + I _к0. (4.9)

I _б = (1 – α) I _{э –} I _к0 (4.10)

 

13. Схема с общей базой.

 

Схема ОБ (рис. 4.5). Выходные характеристики транзистора в схеме ОБ отражают зависимость тока коллектора I _к от напряжения на коллекторе относительно базы U _кб при фиксированном токе эмиттера I _э : I _к = F (U _кб) I _э = const (рис. 4.6, а). Здесь, как и ранее, рассматривается транзистор типа р-п-р, поэтому напряжение U _кботрицательное.

Вольт-амперные характеристики имеют три характерные области: I — сильная зависимость I _к от U _кб(нелинейная начальная область), II — слабая зависимость I _к от U _кб(линейная область), III — пробой коллекторного перехода.

Для схемы ОБ характерно расположение начальной области I левее оси ординат. Это обусловлено тем, что напряжение на коллекторном переходе транзистора в схеме ОБ определяется суммой внутренней разности потенциалов φ₀ и внешнего напряжения U _кб. При U _кб = 0 и заданном токе эмиттера дырки перебрасываются в коллектор из базы под действием внутренней разности потенциалов φ₀; при U _кб = 0 ток I _к ≠0. Чтобы уменьшить ток I _к, нужно создать встречный поток дырок через переход, т.е. перевести коллекторный переход путем изменения полярности напряжения U _кб в режим инжекции носителей заряда (в режим эмиттера). При подаче некоторого напряжения положительной полярности U _кб потоки дырок через коллекторный переход будут взаимно скомпенсированы и ток I _э = 0. Естественно, что с увеличением тока I _э для этого необходимо подать напряжение U _кббольшей величины. Этим объясняется смещение влево начальных участков характеристик при большем токе I _э.

 

 

Рис. 4.6. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ (а);
иллюстрация эффекта модуляции базы в транзисторе (б);
зависимость коэффициента передачи тока α от тока эмиттера I _э (в)

 

Особенностью характеристик в области II является их небольшой подъем при увеличении напряжения U _кб.

Некоторое увеличение тока I _к обусловливается увеличением коэффициента передачи тока α транзистора вследствие возникающего эффекта модуляции толщины базового слоя (эффекта модуляции базы), а также роста тока I _к0 = F (U _кб).

Эффект модуляции базы связан с расширением коллекторного перехода l _кза счет увеличения объемного заряда в нем, вызванного повышением напряжения U _кб(рис. 4.6, б). Поскольку расширение перехода происходит главным образом за счет базового слоя, как более высокоомного, повышение напряжения U _кбприводит к уменьшению толщины базового слоя l _б, а следовательно, к уменьшению числа актов рекомбинаций дырок с электронами в ней, увеличению коэффициента α и тока I _к.

Эффект модуляции базы иллюстрируется рис. 4.6, б, на котором обозначения с индексом 1 относятся к напряжению U _кб1, а с индексом 2 — к напряжению U _{кб 2} (U _кб2 > U _кб1).

Постоянство задаваемого тока I_э при снятии коллекторных характеристик обусловливает постоянство градиента концентрации дырок d p / d x на границе перехода П ₁с базой. В связи с этим кривые распределения концентраций в базе р_{п 2}(х)и р_{п 1}(х)идут параллельно друг другу. Из рис. 4.6, б следует, что начальные уровни концентраций дырок на границе эмиттерного перехода с базой получаются неодинаковыми, в частности р_{n 1}(0) > р_{n 2}(0). Это может быть только в случае уменьшения напряжения на переходе П ₁. Таким образом, изменение тока I _к с изменением напряжения U _к6при I _э = const, связанное с изменением коэффициента α из-за эффекта модуляции базы, сопровождается также изменением напряжения на эмиттерном переходе. Иными словами, модуляция базы создает внутреннюю обратную связь по напряжению в транзисторе.

Если предположить, что для транзистора задается не ток I _э, а напряжение U _эб, определяющее напряжение на эмиттерном переходе, то при подаче напряжения U _кб2 > U _кбlконцентрация дырок не изменится (р_{n 1}(0) = р_{n 2}(0))и кривая р_{п 2}(х)примет вид, показанный на рис. 4.6, б пунктирной линией. Больший наклон пунктирной кривой отражает увеличение эмиттерного тока I _э2 по сравнению с I _э1, а следовательно, и коллекторного тока. В данном случае изменение тока коллектора при проявлении эффекта модуляции базы наблюдается не только за счет изменения коэффициента α, но и за счет обратной связи, влияющей на ток эмиттера.

Некоторое возрастание тока I _к на выходных характеристиках при повышении напряжения U _кб вследствие увеличения коэффициента α за счет эффекта модуляции базы (рис. 4.6, а)характеризуется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода r _к(б) = d U _кб / dI _к│ I _э = _const, которое может быть найдено из коллекторных характеристик как отношение приращений напряжения и тока. Для маломощных транзисторов величина r _к(б) составляет 0,5—1 МОм.

При I _э = 0 зависимость I _к = F (U _кб)представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики коллекторного р-п- перехода. Обратный ток коллекторного перехода определяет составляющую I _к0 в коллекторном токе транзистора.

В области II выходные характеристики практически линейны и сопротивление r _к(б) можно принять неизменным. Тогда для этой области зависимость I _к = F (U _кб)можно представить в аналитической форме:

 

I _к = α I _э + U _кб / r _к(б) + I _к0 (4.11)

и тем самым уточнить соотношение (4.10), полученное без учета эффекта модуляции базы.

Наличие составляющей I _к0 в выражении (4.11) является одной из главных причин температурной зависимости выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Влияние температуры приводит к изменению тока I _к0 и смещению характеристик вверх при повышении температуры (пунктирные кривые на рис. 4.6, а) и вниз при ее снижении. Такое же воздействие на к