Что такое транзисторы и их классификация?

Транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя или четырьмя выводами, что может усиливать электрические сигналы. Транзисторы предназначены для усиления, генерирования электрических сигналов и коммутации электрических цепей.

Классификация. Транзисторы классифицируют по материалу, типу носителей, структурой, за процессами в базе технологии, частотой, мощностью. По материалу транзисторы делятся на кремниевые, германиевые, арсенид-галлиевые и тому подобное. По типу носителей заряда транзисторы классифицируют на биполярные и униполярные. В первых используют носители обоих типов (электроны и дырки), а во вторых только одного типа (или электроны, или дырки). По структуре биполярные транзисторы делят на приборы р-n-р и n-р-n-типа, а униполярные — на транзисторы с управляющим p-n-переходом, с
изолированным затвором (МДП-транзисторы), с барьером Шоттки. Если как диэлектрик МДП-транзисторы используют окись, то такие приборы называют МОП-транзисторами. МДП и МОП-транзисторы могут иметь каналы n- или р-типа проводимости. Они могут быть встроенными или индуцированными. За процессами в базе биполярные транзисторы делятся на дрейфовые и бездрейфовые (диффузные). Бездрейфовые транзисторы имеют однородно легированную базу, неосновные носители заряда в которой движутся вследствие диффузии. Дрейфовые транзисторы имеют неоднородно легированную базу, в которой возникает внутреннее электрическое поле, под действием которого на диффузию накладывается дрейф носителей заряда. Полевые транзисторы бывают только дрейфовыми, потому что их носители заряда движутся под действием электрического поля. По технологии транзисторы делят на сплавные, диффузионные, дифузионно-сплавные, мезапланарные, планарные, планарно-эпитаксиальные и тому подобное. Классификация по частоте предусматривает разделение на низко-, средне- и высокочастотные транзисторы с граничной частотой усиления по току 3, 30, 300 МГц соответственно. Особую группу составляют СВЧ-транзисторы, которые работают в гигагерцовом диапазоне частот. По мощности транзисторы делятся на мало-, средне- и высокомощные, которые рассеивают мощности в соответствии < 0,3 Вт; 0,3 … 1,5 Вт; > 1,5 Вт. Транзисторы еще классифицируют по количеству p-n-переходов, эмиттеров, затворов, различают одно- и двопереходные транзисторы; одно-, двух- и многоэмиттерные, одно- и двухзатворные. К специальным приборам принадлежат фототранзисторы, в которых ток зависит от светового потока, падающего на них.

Условные изображения и обозначения. Условные изображения транзисторов приведены на рис. 1. Условные обозначения транзисторов аналогичные условным обозначением диодов. Они означают материал (Г — германиевые, К — кремниевые A — арсенид-галлиевые); класс (Т — биполярные, П — полевые); назначения (1 — низкочастотные, 2 — среднечастотные; 3 — высокочастотные); порядковый номер разработки (01 … 99); параметрическую группу (А … Я). Например, ГТ101А — германиевый биполярный, низкочастотный, номер разработки 01 параметрическая группа А.Бескорпусной n-p-n-структуры, одно- и двоемитерний

Бескорпусной n-p-n-структуры, одно- и двоемитерний

Корпусный n-p-n и p-n-p структуры

Корпусный n-p-n и p-n-p структуры

Однопереходный с базой n-типа и p-типа

Однопереходный с базой n-типа и p-типа

Полевой с р-n-переходом и каналом n- и р-типа

Полевой с р-n-переходом и каналом n- и р-типа

Полевой структуры МОН с индуцированным каналом n- и р-типа

Полевой структуры МОН с индуцированным каналом n- и р-типа

Полевой структуры МОН с встроенным каналом n- и р-типа

Полевой структуры МОН с встроенным каналом n- и р-типа

Полевой структуры МОН с двумя заслонами

Полевой структуры МОН с двумя заслонами

Рис. 1. Условные изображения транзисторов

Строение. Биполярные и униполярные транзисторы имеют различное строение. Основными элементами конструкции биполярных транзисторов является эмиттер, база и коллектор. Базой сплавного транзистора является пластина n-германию (рис. 2, а). С двух сторон в базу вплавляют таблетки индия, на границах которых с базой при вплавлении образуется слой с дырочной проводимостью (эмиттерного и коллекторного участка). По границам вплавленная возникают электронно-дырочные р-n-переходы: эмиттерный и коллекторный. В базу, эмиттера и коллектора припаивают внешние выводы.Строение биполярных транзисторов: а - статный, б - планарный, 1 - пластина германия n-типа; 2 - индий; 3 - эмиттер и коллектор р-типа; 4 - омический контакт; 5 - выводы; 6 - кристалл (коллектор) кремния n-типа; 7 - кремний р-типа (база) 8 - высоколегированный кремний (эмиттер) n+ -типа

Рис. 2. Строение биполярных транзисторов: а — статный, б — планарный, 1 — пластина германия n-типа; 2 — индий; 3 — эмиттер и коллектор р-типа; 4 — омический контакт; 5 — выводы; 6 — кристалл (коллектор) кремния n-типа; 7 — кремний р-типа (база) 8 — высоколегированный кремний (эмиттер) n+ -типа

Итак, сплавной биполярный транзистор — это трехслойная структура, в которой крайние участки (эмиттерный и коллекторный) имеют отличие от среднего участка (базового) проводимость. Эти участки отделены друг от друга электронно-дырочными переходами. Планарный биполярный транзистор (рис. 2, б) — это кремниевая пластина n-типа (коллектор), в которой методом локальной диффузии примесей р-типа (например, бора) образованый базовый р-участок. В этой области тоже методом локальной диффузии примесей n-типа (например, фосфора) образованый эмиттерный участок n+ -типа. На границах участков с противоположным типом проводимости образуются р-n-переходы. Нижнюю поверхность пленарного транзистора покрывают металлической пленкой и к ней приваривают вывод коллектора. Металлические покрытие наносят также на часть поверхности эмиттера и базы, и к ним приваривают выводы этих электродов. Завершающим этапом изготовления является герметизация транзисторов. Для
этого кристалл закрепляют на кристалодержателе (рис. 3, а) или приклеивают (припаивают) к основанию корпуса (рис. 3, б) и герметизируют.Конструкции биполярных транзисторов: а - маломощный со стальным колпачком: 1 - внешние выводы; 2 - кристалодержатель; 3 - полупроводниковый кристалл; 4 - стальной колпачок; 5 - коваровый фланец; 6 - стеклянный изолятор; б-маломощный с медным колпачком и холоднозвареным корпусом: 1 - вывод; 2 - стекло; 3 - кристалл; 4 - колпачок; 5 - р-n-переход; 6 - вывод; 7 - фланец, в - мощный транзистор: 1 - медный теплоотвод; 2 - отверстие для крепления; 3 - отверстие для выделения газов; 4 - кристалл; 5 - стекло изолятора; 6 - стальной фланец; 7 - коваровая втулка; 8 - вывод

Рис. 3. Конструкции биполярных транзисторов: а — маломощный со стальным колпачком: 1 — внешние выводы; 2 — кристалодержатель; 3 — полупроводниковый кристалл; 4 — стальной колпачок; 5 — коваровый фланец; 6 — стеклянный изолятор; б-маломощный с медным колпачком и холоднозвареным корпусом: 1 — вывод; 2 — стекло; 3 — кристалл; 4 — колпачок; 5 — р-n-переход; 6 — вывод; 7 — фланец, в — мощный транзистор: 1 — медный теплоотвод; 2 — отверстие для крепления; 3 — отверстие для выделения газов; 4 — кристалл; 5 — стекло изолятора; 6 — стальной фланец; 7 — коваровая втулка; 8 — вывод

Основным недостатком конструкции, изображенной на рис. 3,а есть то, что тонкое днище (ножка) легко деформируется при сварке, что приводит к возникновения трещин в изоляторах. Совершенной является конструкция, изображенная на рис. 3,б, так как она позволяет через медный колпачок применять холодную сварку. Мощные транзисторы (рис. 3, в) герметизируют электросваркой. Для выделения из корпуса газов в верхней части баллона имеется отверстие, которое после окончания сборки запаивают. Для герметизации мощных генераторных СВЧ транзисторов применяют металлокерамические корпуса.
Другое строение имеют униполярные транзисторы (рис. 4). Основными элементами их конструкции являются: подложка, сток, исток, канал и заслон. В транзисторах с управляющим р-n-переходом канал образован частью кристалла, например, полупроводника n-типа, в котором методом диффузии созданы участки р-типа, на границе которых с n-кристаллом образуется р-n-переход (рис. 4, а). В
униполярных транзисторах со встроенным каналом (рис. 4, б) p+ — участка утечки и стока, а также канал р-типа сформированы методом диффузии при изготовлении прибора. В транзисторах с индуцированным каналом (рис. 4, в) сам канал не создается технологически, а индуцируется заслоном во время работы транзистора.Строение униполярных транзисторов: а - с управляющим р-n-переходом; б - с встроенным каналом; в - с индуцированным каналом

Рис. 4. Строение униполярных транзисторов: а — с управляющим р-n-переходом; б — с встроенным каналом; в — с индуцированным каналом

Как видно из (рис. 4, б, в), заслон в МДП-транзисторах отделен от кристалла полупроводника слоем диэлектрика. Поэтому такие приборы иногда называют еще униполярными транзисторами с изолированным затвором. Одной из основных конструктивных особенностей униполярных транзисторов является наличие в них четырех основных выводов от истока, стока, завеса и подложки, на основе которого изготовлен транзистор. Конструктивное оформление униполярных транзисторов аналогичное конструктивному оформлению биполярных транзисторов. Металлический корпус со стеклянными изоляторами и гибкими выводами или пластмассовый корпус с ленточными выводами. Однопереходный транзистор (рис. 5) — это монокристаллическая пластинка кремния n-типа с высоким удельным сопротивлением, на концах которой размещены омические контакты баз Б1 и Б2, а на боковой стороне — один эмиттерный p-n-переход. Участки ее Безымянный и Безымянный (обычно Безымянный «Безымянный) выполняют функции баз прибора.
Конструктивное оформление фототранзисторов показано на рис. 6. Прибор состоит из полупроводниковой (например, германиевой) пластины (5), в которую с обеих сторон впаяны навески индия, которые образуют коллектор (6) и эмиттер (8). Пластина германия припаяна оловянным кольцом к кристалодержателям (7), который, в свою очередь, приварен к ножке (10). Коллектор и эмиттер с помощью перемычек (9) соединены с выводами (1), изолированными от ножки стеклянными изоляторами (2). Базовый вывод (11) приварены к ножке. Весь фототранзистор установлено в герметичный корпус (3), в котором имеется круглое отверстие, закрытое стеклом (4).Строение однопереходного транзистора

Рис. 5. Строение однопереходного транзистора

Конструкция фототранзистора

Рис. 6. Конструкция фототранзистора

Работа. Рассмотрим отдельную работу биполярных и униполярных транзисторов. Для того, чтобы биполярный транзистор мог работать, ему необходимо питания. Различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 7).

Основные схемы включения биполярных р-n-р и n-р-n-транзисторов

Рис. 7. Основные схемы включения биполярных р-n-р и n-р-n-транзисторов

При включении напряжение на совместном электроде принимаеться равным нулю, а на двух других электродах напряжение отсчитывается от нулевого уровня. Каждый из двух p-n-переходов может быть смещенным в прямом или обратных направлениях. Поэтому различают четыре основных режима работы: активный, насыщения, отсечения и инверсный. В активном режиме эмиттерный р-n-переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном (рис. 8). В таком случае Безымянный, где Безымянный — токи соответственно эмиттера, коллектора, базы. В насыщенном режиме оба p-n-переходы смещены в прямом направлении. За таких условиях Безымянный. В режиме отсечения оба p-n-переходы смещены в обратном направлении. Для этого режима Безымянный. В инверсном режиме эмиттерный р-n-переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом. В таком случае Безымянный Основным для биполярных транзисторов является активный режим работы. Именно
поэтому рассмотрим работу, например, p-n-p— транзистора в активном режиме, включенного по схеме с общей базой. В исходном положении при отсутствии питания уровень Ферми во всех трех участках находится на одном энергетическом уровне. При комнатной температуре почти все примесные атомы ионизированные, их примесные уровни в р- участках лежат ниже уровня Ферми, а в n-области — выше него. Ширина обоих р-n- переходов одинакова, высота потенциальных барьеров для дырок одинакова, то есть Безымянный

Обеспечение активного режима работы биполярных транзисторов

Рис: 8. Обеспечение активного режима работы биполярных транзисторов

При подаче питания, которое соответствует активному режиму работы, эмиттерный p-n-переход смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В результате высота потенциального барьера для дырок в эмиттерном переходе снижается на Безымянный и равнаБезымянный

а высота потенциального барьера для дырок в коллекторном р-n-переходе возрастает на величинуБезымянный и равна Безымянный

Одновременно эмиттерный р-n-переход становится более узким, чем коллекторный Безымянный. Все это приводит к инжекции дырок из эмиттера в базу. Поскольку ширина базы (≈ 1 мкм) гораздо меньше диффузионной длины дырок (≈ 5 … 10 мкм), то большинство дырок (≈ 99%) доходят до коллектора, не успевая рекомбинировать с электронами базы. Коллектор, находясь под отрицательным потенциалом, извлекает их из базы, обеспечивая протекание коллекторного тока Безымянный, который отличается от эмиттерного тока Безымянный на значение базового тока Безымянный, то есть Безымянный

Небольшой базовый ток Безымянный возникает преимущественно за счет рекомбинантных в базе дырок и электронов, которые дифундировали с базы в эмиттер. Сопротивление обратносмещенного коллекторного p-n-перехода Безымянный очень большое (≈ единицы … десятки МОм). Поэтому в круг коллектора можно включить достаточно большое сопротивление нагрузки (Безымянный < 0,1 Безымянный), не изменяя существенно Безымянный. вследствие этого в цепи коллектора, в том числе и на нагрузке Безымянный, может выделяться большая мощность Безымянный

Сопротивление прямосмещенного эмиттерного p-n-перехода Безымянный очень малое (≈ единицы … десятки Ом). Малое должно быть и внутреннее сопротивление источника сигнала Безымянный, включенного на вход транзистора. Поэтому при почти одинаковых токах (БезымянныйБезымянный) в кругу эмиттера, в том числе и на внутреннем сопротивлении источника сигнала, выделяется гораздо меньшая мощностьБезымянный

При почти одинаковых токах (БезымянныйБезымянный) мощность, выделяемая на нагрузке Безымянный, является намного больше мощности, выделяемой на внутреннем сопротивлении источника сигнала Безымянный. Итак, транзистор усиливает мощность с коэффициентом усиленияБезымянный

В униполярных транзисторах током через канал управляет электрическое поле, что создано напряжением заслон-исток Безымянный. Для того, чтобы прибор мог работать, к нему необходимо подключить питание. Различают три схемы включения униполярного транзистора: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим заслоном (ОЗ). Покажем это на примере униполярных транзисторов с управляющим p-n-переходом и каналом p-типа (рис. 9).Схемы включения униполярного транзистора: а - общий исток; б - общий сток; в - общий заслон

Рис. 9. Схемы включения униполярного транзистора: а — общий исток; б — общий сток; в — общий заслон

Работу униполярного транзистора рассмотрим на примере МДП-структуры с индуцированным каналом n-типа, включенной по схеме ОИ (рис. 10). Такой транзистор и такую схему включения достаточно часто применяют на практике. Структура МДП-транзистора с индуцированным n-каналом, включенного по схеме ОИ

Рис. 10. Структура МДП-транзистора с индуцированным n-каналом, включенного по схеме ОИ

Если Безымянный, канал отсутствует и на пути между истоком и стоком есть два встречно включены pn+ — переходом. Поэтому при подаче напряжения Безымянный ток в кругу стока будет очень малым.
Если подать на заслон отрицательное напряжение Безымянный, то подзаслонный приповерхностный слой полупроводника обогатится дырками и ток в цепи стока практически не изменится. Если же на заслон подать положительное напряжение, то подзаслонный приповерхностный слой обогатится электронами и соединит n+ -участок истока и стока, то есть образуется индуцированный канал n-типа. Толщина индуцированного канала 1 … 2 нм практически остается неизменной при изменении напряжения Безымянный, а меняется только концентрация носителей в нем. Напряжение на заслоне, при котором образуется канал, называют пороговым и обозначают через Безымянный. Если выбрать подложку n-типа, слои истока и стока сделать p+ — типа, то получим МДП-транзистор с индуцированным каналом р-типа. Он характеризуется обратной полярностью порогового и рабочего напряжения: Безымянный <0, Безымянный <0, Безымянный<0. Электронные схемы, в которых используются транзисторы с n- и р-каналами, называют комплементарными. Подложку МДП-транзисторов изготавливают высокоомной, с тем, чтобы облегчить образования каналов и увеличить пробивное напряжение переходов истока и стока. Схема включения однопереходного транзистора показана на рис. 11. К выводам баз Безымянный и Безымянный подводят напряжение питания Безымянный. Конечно базу Безымянный заземляют, а на базу Безымянный подают положительный потенциал что к базе Безымянный. Под действием этого напряжения в кремниевой пластинке возникает ток Безымянный. Участок между базами Безымянный однопереходного транзистора — это омическое сопротивление в несколько кОм с линейной вольт
амперной характеристикой. Поэтому напряжение Безымянный распределяют по базам пропорционально их сопротивлению, которые зависят от длин Безымянный и Безымянный. Эти напряжения соответственно равны Безымянный и Безымянный— Полярность напряжения Безымянныйтакая (рис. 5), что в исходном состоянии эмиттерный p-n-переход будет смещен в обратном направлении и через него пройдет только небольшой обратный ток стока Безымянный.Схема включение однопереходного транзистора

Рис. 11. Схема включение однопереходного транзистора

Это состояние сохранится во время представление на эмиттер отрицательного напряжения Безымянный или положительного, но такого, которого не превышает напряжения Безымянный. Если напряжение Безымянный превысит напряжение Безымянный на величину, достаточную для отпирания эмиттерного р-n-перехода, то в кремниевую пластинку с эмиттера будут инжектироваться дырки. Под действием электрического поля источника Безымянный они будут двигаться в направлении вывода базы Безымянный, образуя эмиттерный ток, что приведет к повышению проводимости на участке длиной Безымянный. В результате внутреннего падение напряжения Безымянный уменьшится, что приведет к дальнейшему отпиранию эмиттерного р-n-перехода и увеличению тока эмиттера и тому подобное. Итак, нарастание эмиттерного тока будет развиваться лавинообразно. С ростом эмиттерного тока, связанного с увеличением инжекции носителей с эмиттера в пластинку, сопротивление эмиттерного р-n-перехода снижается, а напряжение Безымянный уменьшается.
Дальнейшее нарастание эмиттерного тока  связано с повышением внешнего эмиттерного напряжения. Схему включения фототранзистора в электрический круг показано на рис. 12.

Двухполюсная схема включения фототранзистора

Рис. 12. Двухполюсная схема включения фототранзистора

Во время такого включения вывод базы фототранзистора остается свободным, то есть Безымянный = 0. Во время освещения базы в ней появляются электроны и дырки. Для базы фототранзистора типа р-n-р дыры не являются основными носителями зарядов, поэтому они втягаються полем коллекторного p-n-перехода в коллектор, увеличивая ток в его кругу. Основные носители зарядов, остались в базе, создают пространственный заряд, который снижает высоту потенциального барьера эмиттерного p-n-перехода. Это облегчает переход дырок из эмиттера в базу, а затем в коллектор, что приводит к еще большему росту коллекторного тока. Итак, даже при небольшом световом потоке, падающего на базу фототранзистора, ток коллектора становится довольно большим.

Свойства. Рассматривая свойства транзисторов, прежде всего необходимо отметить те общие закономерности, которые характерны для любых полупроводниковых приборов, в том числе и транзисторов. Одна из них касается материала. При прочих равных условиях германиевые транзисторы имеют лучшие частотные свойства, чем кремниевые, так как подвижность их носителей заряда является выше. В то же время, кремниевые транзисторы имеют лучшие температурные свойства, чем германиевые, так как ширина запрещенной зоны в них больше. Вторая закономерность касается структуры приборов. Вследствие большей подвижности электронов n-р-n биполярные транзисторы имеют лучшие частотные характеристики, чем транзисторы р-n-р-типа, а униполярные транзисторы с встроенным n-каналом более высокочастотные, чем приборы со встроенным р-каналом. Третья закономерность касается технологии, которой определяются размеры и параметры различных участков транзисторов, а, следовательно, величины основных и паразитных параметров. Так, например, предельная частота сплавных биполярных транзисторов, которые имеют значительные размеры коллекторного р-n-перехода, а, следовательно, большую барьерную емкость, что не превышает 30 МГц. Во время работы на высших частотах применяют диффузные, диффузионно-сплавные, мезапланарных, планарные, планарно-эпитаксиальные транзисторы, которые имеют меньшую площадь, а, следовательно, меньшую барьерную емкость коллекторного р-n-перехода. Например, в планарно- эпитаксиальных транзисторах с меньшей площадью р-n-перехода граничная частота достигает сотен МГц. В них, кроме того, малым является сопротивление коллектора, что позволяет в 3 … 10 раз уменьшить на нем падение напряжения, вследствие чего увеличивается запас по напряжению, снижаются потери энергии. Четвертая закономерность касается корпусов. Корпуса, которые имеют определенные паразитные емкости и индуктивности, ухудшают частотные характеристики транзисторов. Поэтому бескорпусные приборы при прочих равных условиях всегда имеют лучшие частотные характеристики. Примером могут быть планарные и
планарно-эпитаксиальные транзисторы, их бескорпусные варианты работают на частотах до 10 ГГц и более, в то время как корпусные приборы имеют предельные
частоты, на порядок меньше. Свойства транзисторов в значительной мере отражают их статические
характеристики.

Как статические для биполярных транзисторов используют:
— входную характеристику Безымянный
— исходную характеристику Безымянный
— характеристику обратной связи при напряжении Безымянный
— характеристику передачи тока Безымянный
Из них наиболее информативными являются входные и выходные. Статические входные характеристики выражают зависимость входного тока (тока эмиттера Безымянный или базы Безымянный от входного напряжения (напряжения между эмиттером и базой Безымянный при определенных значениях напряжения на коллекторе Безымянный. Их общий вид приведен на рис 13.Статические входные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме: а - ОБ; б - ОЭ

Рис. 13. Статические входные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме: а — ОБ; б — ОЭ

Заметная их сходство с характеристиками прямосмещенного диода. С увеличением напряжения Безымянный ток Безымянный или Безымянный растет по экспоненциальному закону. Во время повышение или понижение температуры p-n-переходов транзисторов входные характеристики смещаются в область меньших или больших входных напряжений соответственно. Статические выходные характеристики показывают зависимость выходного тока (тока коллектора Безымянный) от выходного напряжения (напряжения между коллектором и базой Безымянный или между коллектором и эмиттером Безымянный) при определенном значение тока эмиттера Безымянный или
тока базы Безымянный (рис. 14).

Статические выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме: а - ОБ; б - ОЭ

Рис. 14. Статические выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме: а — ОБ; б — ОЭ

Итак, для схемы с ОБ выходной ток мало зависит от исходного напряжения. Эта зависимость гораздо сильнее в схеме с ОЭ. В обоих случаях по определенному значению выходного напряжения наступает пробой коллекторного р-n-перехода. При повышении температуры р-n-переходов выходные характеристики смещаются в сторону больших токов вследствие увеличения обратного тока коллекторного р-n-перехода. Поскольку биполярный транзистор — это совокупность двух встречно включенных р-n-переходов, что взаимодействуют, можно показать, что его эквивалентную схему для схемы ОБ можно подать моделью Эберса-Мола (рис. 15). Эквивалентная схема биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ

Рис. 15. Эквивалентная схема биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ

В ней электронно-дырочные переходы транзистора изображены в виде двух диодов, включенных навстречу друг другу. Это позволяет рассматривать работу транзистора в активном и инверсном режимах. Коллектирование (сборки) носителей заряда, которые инжектируются через эмиттерный р-n-переход в активном режиме, отражаются генератором тока Безымянный, где Безымянный — коэффициент передачи эмиттерного
тока, Безымянный — входной (эмиттерный) ток. Коллектирование носителей заряда, которые инжектируются через коллекторный р-n-переход в инверсном режиме, отображается генератором тока Безымянный, где Безымянный — коэффициент передачи коллекторного тока, Безымянный — выходной (коллекторный) ток. Используя приведенную выше физическую модель биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ, можно получить аналитические выражения для статических входных и выходных характеристик:Безымянный

где Безымянный — обратный (тепловой) ток эмиттерного р-n-перехода при КЗ коллекторного; Безымянный — обратный (тепловой) ток коллекторного р-n-перехода за заданного напряжения Безымянный.
Для описания свойств биполярных транзисторов используют также их параметры. Различают четыре группы параметров:
1) параметры постоянного тока;
2) параметры малого сигнала;
3) параметры большого сигнала;
4) параметры предельных режимов.

1) Параметры постоянного тока:
Начальный ток коллектора Безымянный — ток через коллекторный переход по заданному обратному напряжению на нем и при активном сопротивлении в цепи база-эмиттер, значение которого зависит от мощности транзистора. Обратный ток коллектора Безымянный — ток через коллекторный переход по заданному обратному напряжению на нем и тока эмиттера, что равный нулю. Обратный ток эмиттера Безымянный — ток через эмиттерный переход по заданному обратному напряжению на нем и тока коллектора, который равен нулю. Ток коллектора закрытого транзистора Безымянный — ток через коллекторный переход при обратных напряжениях на коллекторном и эмиттерном переходах.

2) Параметры малого сигнала:
Входное сопротивление Безымянный — отношение изменения входного напряжения до входного тока в режиме КЗ по переменному току на выходе. Выходная проводимость Безымянный — отношение изменения выходного тока к исходному напряжению в режиме XX по переменному току на входе. Емкость коллекторного перехода Безымянный — емкость, измеренная между коллекторным и базовым выводами, на заданной частоте при отключенном эмиттере и обратном смещении на коллекторе. Емкость эмиттерного перехода Безымянный — емкость, измеренная между эмиттерным и базовым выводами, на заданной частоте при отключенном коллекторе и обратном смещении на эмиттере. Коэффициент обратной связи по напряжению Безымянный — отношение изменения входного напряжения к изменению выходного напряжения в режиме XX по переменному току на входе. Коэффициент передачи тока Безымянный — отношение изменения выходного тока к изменению входного тока в режиме КЗ по переменному току на выходе. Применяют и другие условные обозначения коэффициента передачи тока: для схемы с ОБ — Безымянный а для схемы ОЭ — БезымянныйБезымянный

Модуль коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ на ВЧ. Постоянная времени цепи обратной связи на ВЧ Безымянный — произведение омического сопротивления базы емкость коллектора.

Частотная зависимость коэффициента передачи тока

Рис. 16. Частотная зависимость коэффициента передачи тока Безымянный

Граничная частота коэффициента передачи тока Безымянный — частота, на которой модуль коэффициента передачи тока в схеме с ОБ (ОЭ) уменьшается на 3 дБ по сравнению с его первоначальным значением
(Рис. 16). Причиной спада ограничения на Безымянный, которые накладывают время пролета неосновных носителей через базу, процессы накопления и рассасывания носителей в участках базы и коллектора, заряд и
разряд барьерных емкостей Безымянный, Безымянный. Максимальная частота генерации Безымянный — частота, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Коэффициент шума Безымянный — отношение полной мощности шумов на выходе транзистора в этой части, вызванной тепловыми шумами сопротивления источника сигнала. Безымянный существенно зависит от частоты (рис. 17), режима работы транзистора
Безымянный, внутреннего сопротивления источника сигнала и температуры.Зависимость коэффициента шума транзисторов от частоты

Рис. 17. Зависимость коэффициента шума транзисторов от частоты

3) Параметры большого сигнала.
Время рассасывания Безымянный — отрезок времени между моментом, когда на базу транзистора подается импульс, и моментом, когда напряжение на коллекторе достигает заданного уровня. Напряжение насыщения база-эмиттер Безымянный — напряжение между базой и эмиттером в режиме насыщения. Напряжение переворота фазы базового тока Безымянный — напряжение, при котором наступает переворот фазы и коэффициент передачи тока в схеме с ОБ равен единице. Сопротивление насыщения Безымянный — сопротивление между коллектором и эмиттером в режиме насыщения. Статическая крутизна прямой передачи Безымянный — отношение постоянного тока коллектора к постоянному напряжению, представленном на вход транзистора. Статический коэффициент передачи тока Безымянный — отношение постоянного тока коллектора к сумме абсолютных значений постоянного тока базы и обратного тока коллектора.

4) Параметры предельных режимов.
Параметры предельных режимов — это те наибольшие значения физических величин, при которых обеспечивается заданная надежность или изменение параметров транзистора не превышает установленных допусков:
— крупнейшая рассеиваемая мощность на коллекторе Безымянный;
— самое постоянное обратное напряжение коллектор-база Безымянный;
— самое постоянное обратное напряжение эмиттер-база Безымянный;
— крупнейший импульсный ток коллектора Безымянный;
— крупнейший импульсный ток эмиттера Безымянный;
— наибольший ток коллектора Безымянный;
— наибольший ток эмиттера Безымянный;
— максимальное тепловое сопротивление переход-корпус Безымянный;
— тепловое сопротивление переход-окружающая среда Безымянный.
Как статические для униполярных транзисторов используют входную характеристику, характеристику обратной передачи, характеристику прямой передачи (передающая); исходную стоковую характеристику. Для применяемых схем с ОИ ними есть такие функциональные зависимости:

Безымянный, если Безымянный;
Безымянный, если Безымянный,
Безымянный, если Безымянный;
Безымянный, если Безымянный.

В основном необходимую информацию можно получить, пользуясь только двумя видами статических характеристик: выходные и передающими. Для униполярных транзисторов с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа они имеют вид, приведенный на рис. 18.

Характеристики униполярных транзисторов с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа: а - выходные; б - передающая

Рис. 18. Характеристики униполярных транзисторов с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа: а — выходные; б — передающая

Итак, исходные характеристики имеют три характерные участки: рост, насыщения и пробоя. На участке рост с увеличением напряжения Безымянный растет ток стока Безымянный. Это свидетельствует о том, что не все носители канала участвуют в проводимости. Участок насыщения свидетельствует о том, что при этом напряжения Безымянный в проводимости участвуют все носители канала, поэтому при увеличении напряжения Безымянный ток Безымянный не растет. Третьей является участок пробой канала, в результате чего ток Безымянный резко возрастает. Передаточная характеристика показывает (рис. 18, б), при канале n-типа униполярный транзистор с управляющим р-n-переходом работает только при условии отрицательного напряжения Безымянный. Для униполярных транзисторов с изолированным заслоном и встроенным каналом n-типа исходная и передающая характеристики имеют вид, что изображен на рис. 19.

Выходные (а) и передающая (б) характеристики униполярных транзисторов с изолированным заслоном и встроенным каналом n-типа

 Рис. 19. Выходные (а) и передающая (б) характеристики униполярных транзисторов с изолированным заслоном и встроенным каналом n-типа

Итак, исходные характеристики транзисторов с изолированным заслоном не имеют участки пробоя. Они могут работать как с отрицательным (режим обеднения), так и за положительным (режим обогащения) напряжением Безымянный. Для униполярных транзисторов с изолированным заслоном и индуцированным каналом n-типа выходные и передаточные характеристики имеют вид, приведенный на рис. 20.Характеристики униполярных транзисторов с изолированным заслоном и индуцированным каналом n-типа: а - выходные; б - передаточные

Рис. 20. Характеристики униполярных транзисторов с изолированным заслоном и индуцированным каналом n-типа: а — выходные; б — передаточные

Итак, выходные характеристики практически такие, как и для полевых транзисторов других типов. Приборы работают только при положительном напряжении Безымянный. Ток Безымянный сначала растет почти линейно с увеличением напряжения Безымянный и соответственно с ростом продольного электрического поля в канале. Отклонение от линейности объясняется изменением сопротивления канала вследствие уменьшения его поперечного сечения. Для описания свойств униполярных транзисторов применяют также параметры, номенклатура которых соответствует номенклатуре параметров биполярных транзисторов.
Учитывая сходство характеристик униполярных транзисторов и вакуумных ламп, для описания их свойств по аналогии с вакуумными лампами используют Y-параметры эквивалентного четыреполюсника схема которого приведена на рис. 21.Эквивалентная схема полевого транзистора, включенного по схеме ОИ

Рис. 21. Эквивалентная схема полевого транзистора, включенного по схеме ОИ

Y-параметры униполярного транзистора, включенного по схеме ОИ:
— входная проводимость — проводимость участка заслон-исток
Безымянный если Безымянный
— выходная проводимость участка исток-сток
Безымянный если Безымянный
— проходная проводимость — проводимость участка заслон-сток
Безымянный если Безымянный
— крутизна передаточной характеристики
Безымянный если Безымянный
— входное дифференциальное сопротивление
Безымянный
— выходное дифференциальное сопротивление
Безымянный если Безымянный
— статический коэффициент усиления
Безымянный если Безымянный

Эти характеристики униполярных транзисторов считают первичными. Если они определены, то по ним можно рассчитать параметры любой другой схемы включения. Для транзисторов с индуцированным каналом дополнительно вводится параметр — пороговое напряжение Безымянный — напряжение, при котором возникает индуцированный канал. Описывая индукционные процессы униполярных транзисторов, как их параметры используют межэлектродные емкости, время зарядки и разрядки, который влияет на частотные и импульсные свойства приборов.

Межэлектродные емкости униполярных транзисторов:
— входная емкость Безымянный — емкость между заслоном и истоком при КЗ по переменному току на выходе в схеме с ОИ;
— выходная емкость полевого транзистора Безымянный — емкость между истоком и стоком при КЗ по переменному току на входе в схеме с ОИ;
— проходная емкость Безымянный — емкость между заслоном и стоком при КЗ по переменному току на входе схемы с ОИ.
Зная Безымянный по формулеБезымянный

можно оценить предельную частоту униполярных транзисторов. Важным параметром полевых транзисторов является коэффициент шума Безымянный, который определяется по аналогии с коэффициентом шума биполярных транзисторов. Безымянный слабо зависит от напряжения Безымянный, тока Безымянный и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала (рис. 22). Зависимость коэффициента шума от частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала

Рис. 22. Зависимость коэффициента шума от частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала

Важны тепловые параметры, характеризующие устойчивость транзисторов к изменению температуры. Известно, что при изменении температуры свойства полупроводниковых материалов меняются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, прежде всего, тока стока Безымянный, крутизны S и тока стока Безымянный. их оценивают с помощью соответствующих температурных коэффициентов. Для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом зависимость Безымянный (Т) определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов p-n-перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале, которые противоположные по характеру действия. При определенных условиях в транзисторах с управляющим p-n— переходом действие этих факторов взаимно компенсируется (рис. 23).

Сток-заслонные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом при различных температурах: 1-85 °С; 2 -25 °С; 3 - 60 °С;

Рис. 23. Сток-заслонные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом при различных температурах: 1-85 °С; 2 -25 °С; 3 — 60 °С;

Зависимость крутизны передаточной характеристики полевых транзисторов от температуры

Рис. 24. Зависимость крутизны передаточной характеристики полевых транзисторов от температуры

Аналогичную зависимость от температуры имеет крутизна полевых транзисторов, то есть с повышением температуры она уменьшается (рис. 24). От температуры зависит ток стока Безымянный (Рис. 25). С повышением температуры он растет по экспоненциальному закону.Температурная зависимость тока стекания униполярных транзисторов

Рис. 25. Температурная зависимость тока стекания униполярных транзисторов

Сравнивая униполярные транзисторы с управляющим p-n-переходом и изолированным затвором, замечаем, что первые из них имеют большую входную емкость (Безымянный ≈ десятки пФ), поэтому их предельная частота не превышает 10 МГц. Входная емкость униполярных транзисторов с изолированным затвором на 1-2 порядка меньше, поэтому их предельная частота на столько же больше. Кроме того, униполярные транзисторы с управляющим p-n-переходом имеют меньше входное сопротивление (≈10 Ом), который с повышением температуры быстро уменьшается и при температуре ≈ 125 °С достигает
10 Ом. Вместе с тем, униполярные транзисторы с управляющим p-n-переходом имеют определенные преимущества над транзисторами с изолированным затвором. Они, например, имеют высшую временную стабильность параметров и меньший уровень собственных шумов. Причина этих преимуществ заключается в том, что их канал отделен от поверхности обедненным слоем, который является диэлектриком. Относительно шумов в полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом то это, в основном, тепловые шумы, которые можно оценить по формуле Найквиста:

Безымянный

где Безымянный — полоса частот; R — сопротивление канала. Если R = 0,5 кОм, М = 1 Гц; то Безымянный=3 мВ. Сравнивая рабочие частоты биполярных и униполярных транзисторов, отмечаем, что быстродействие современных биполярных и униполярных транзисторов примерно одинакова. Но поскольку биполярные транзисторы являются мощные, а на ВЧ трудно обеспечивать высокую мощность, так как повышение частот требует уменьшение размеров конструктивных элементов, то на высоких частотах оказывают предпочтение преимущественно биполярным транзисторам. Этому способствует также большая
ширина полосы частот биполярных приборов. Униполярные, в свою очередь, преобладают биполярные по возможностям автоматической регулировки усиления и способностью работать в широком
динамическом диапазоне. Униполярные транзисторы имеют высокую развязку сигнального круга от цепи управления прибором. Поэтому с их помощью можно строить схемы с непосредственной связью стоков и заслонов без применения специальных кругов смещение уровня сигнала. Униполярные транзисторы пригодны для построения аналоговых ключей, поскольку в открытом состоянии они пропускают ток через канал в обоих направлениях. В канале не возникает ЭДС. Это позволяет с их помощью коммутировать слабые сигналы. Униполярные транзисторы характеризуются меньшим уровнем шумов, высокой помеха- и радиационной стойкостью. Высший уровень шумов биполярных приборов объясняется инжекцией неосновных носителей через p-n-переход. По воспроизводимости параметров, то в биполярных транзисторах она выше. Свойства однопереходных транзисторов в значительной степени отражает их вольт-амперная характеристика (рис. 26).

Вольт-амперная характеристика однопереходного транзистора

Рис. 26. Вольт-амперная характеристика однопереходного транзистора

Основными параметрами этого прибора является ток включения Безымянный, напряжение включение Безымянный, ток отключения Безымянный, напряжение отключения Безымянный, обратный ток эмиттер — базового p-n-перехода Безымянный
Относительно фототранзисторов, вид их вольт-амперных характеристик существенно зависит от освещенности (рис. 27).

Вольт-амперные характеристики фототранзистора при различной освещенности

Рис. 27. Вольт-амперные характеристики фототранзистора при различной освещенности

Спектральная характеристика фототранзистора

Рис. 28. Спектральная характеристика фототранзистора

Спектральные характеристики этих приборов имеют максимум (рис. 28). Основными параметрами прибора является ток при освещении, интегральная чувствительность — отношение тока к световому потоку, темновой ток.

Применение. Биполярные транзисторы малой мощности преимущественно предназначены для работы в схемах маломощных усилителей, генераторов, переключателей и тому подобное.
Приборы этого класса средней мощности работают преимущественно в выходных каскадах транзисторных приемников. Биполярные транзисторы высокой мощности применяют в схемах мощных усилителей, генераторов, преобразователей напряжения. Униполярные транзисторы широко используются во входных устройствах усилителей при работе от высокоомного источника сигнала, в регуляторах
уровня сигнала, в чувствительной по току аппаратуре, в импульсных схемах. Однопереходные транзисторы, имея в вольт-амперной характеристике участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, используются для построения переключающих и логических схем. Фототранзисторы используются в оптоэлектронике, устройствах автоматики, фототелеграфии, киноаппаратуре, в устройствах ввода и вывода информации в вычислительной технике, для регистрации ультрафиолетового и инфракрасного излучения и тому подобное.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*