Расчес транзистора, схема включения, основные типы транзисторов

1 Загальний розділ

1.1 Схеми включення транзисторів

 

В залежності від того, який електрод є спільним для вхідного та вихідного кола, розпізнають три  схеми включення транзистора; з загальною базою (ЗБ), з загальним емітером (ЗЕ) та з загальним колектором (ЗК), рисунок 1.1.

 

а – з загальною базою (ЗБ); б – з загальним емітером (ЗЕ); в – з загальним колектором (ЗК).

 

Рисунок 1.1 – Основні схеми включення транзистора

 

Струм емітера в транзисторі  розподіляється між базою та колектором

 

 (1.1)

 

Якщо струм емітера  зростає на величину то відповідно зростуть і інші струми. Для цього стану отримаємо рівність:

 

  (1.2)

 

Зробивши віднімання з формули 1.2 рівності 1.1, отримаємо:

 

 (1.3)

 

Приріст струму бази, як і сам струм базі, відносно малі, тому:

 (1.4)

 

Транзистор характеризують коефіцієнтом (диференційним) прямої передачі по струму, котрий представляє собою  відношення приросту вихідного струму до вхідного струму при постійній напрузі в вихідному колі ,який змусив його до припинення. Для схеми з ЗБ вихідний струм – це струм колекторного кола, а вхідний струм – це струм емітерного кола. Тому коефіцієнт прямої передачі по струму для схеми з ЗБ:

 

 (1.5)

при U_к = const.

 

В підсилювальному режимі в схемі з ЗБ статичний коефіцієнт передачі по струму транзистора та приблизно однакові, тобто:

 

 (1.6)

 

Приріст колекторного струму можна визначити, використовуючи формулу (1.5):

 (1.7)

 

Приріст струму бази представляє  собою різницю приростів струмів  емітера та колектора:

 

 (1.8)

 

Підставивши в попередню  рівність замість  вираз (1.7), отримаємо:

 

  (1.9)

 

значить,

 

 

 (1.10)

 

У схемі з ЗЕ вихідним струмом є струм колектора, а  вихідним – струм бази, тому коефіцієнт прямої передачі по струмі у схемі  з ЗЕ.

 

  (1.11)

 

Легко виразити через :

 

, (1.12)

 

так як .

Як видно з формули (1.12), для підвищення необхідно щоб статичний коефіцієнт був з можливості близьким до одиниці.

Для коефіцієнт , якщо то .

В схемі з ЗК вихідним током є струм емітера, а вхідним – струм бази. Коефіцієнт прямої передачі по струму схеми з ЗК приблизно рівне та вираховується по формулі:

 

  (1.13)

 

На практиці часто  використовують приблизні рівності:

 

; (1.14)

 

; (1.15)

 

Котрі справедливі за умови  .

Знаючи параметри  та , можна по формулам (1.14) та (1.15) з`ясувати струми І_к, І_е, І_б:

 

;

; (1.16)

 

; 

; (1.17)

 

1.2 Основні типи транзисторів

 

Треба розділяти два  види біполярних транзисторів: дрейфові, в яких переніс неосновних носіїв заряду через базу завдяки дрейфу, тобто під дією прискорюючего  електричного поля, та без дрейфові, в яких таких перенос проходить завдяки дифузії. Не треба без дрейфові транзистори називати дифузійними, так як термін «дифузійний» повинен вказувати не на характер руху носіїв, а на технологію створення n-p переходів методом дифузії.

Треба відмітити, що в  бездрейфових транзисторах при великій  інжекції з боку емітера в базі виникає електричне поле, тому рух  носіїв в ній не буде чисто дифузійним. А в базі дрейфових транзисторів, хоча дрейф і являється основним видом руху носіїв, також трапляється і дифузія носіїв.

Бездрейфові транзистори  мають у всій базовій області  одну й ту саму концентрацію домішок. Як наслідок цього у базі не виникає  електричного поля та носіїв у ній  виконують дифузійні рухи від  емітера до колектора. Швидкість  такого руху менша швидкості дрейфу носіїв в прискорюючему полі. Як наслідок, без дрейфові транзистори призначенні для більш низьких частот, ніж дрейфові.

У дрейфових транзисторах електричне поле у базі прискорює  неосновні носії при їх русі до колектора, тому збільшується номінальна частота та коефіціціент підсилення струму. Електричне поле у базі створюється за рахунок неоднакової концентрації домішок в базовій області, яка може бути досягнута при дифузузійному методі виготовлення n-p переходів. Транзистори, виготовленні таким методом, називається дифузійним. Виникнення електричного  поля у базі цих транзисторів пояснюється наступним чином. Наприклад , в базі є донорні домішки для створення провідності n – типу. Якщо концентрація цих домішок цих домішок поблизу емітерного переходу більша, ніж поблизу колекторного переходу, то відповідно виходить неоднакова концентрація основних носіїв в базі, в даному випадку концентрація електронів. Біля емітерного переходу вона буде більша. За рахунок цієї різниці концентрацій частина електронів переміститься туди, де їх концентрація менша, тобто до колекторного переходу (рисунок 1.2).

 

 

Рисунок 1.2 – Принцип  дії дрейфового транзистора

 

Тепер розглянемо основні  типи транзисторів, які відрізняються по принципу виготовлення переходів та  за конструкцією.

Бездрейфові транзистори  можуть мати сплавні переходи, отримані по тій же самій технології, як у  діодів. Ці транзистори прийнято називати сплавними. Принцип їх устрою показаний на (Рис. 1.3). В основну пластину напівпровідника з двох сторін вплавляються домішки, створюючи емітерну та

колекторну області. Внаслідок  того що на колекторному переході розсівається велика потужність, тому він зазвичай має значно більший розмір, ніж емітерний перехід. Однак можуть бути виготовлені і симетричні сплавні транзистори, в яких обидва переходи однакові.

 

 

Рисунок 1.3 – Принцип  устрою сплавного транзистора

 

До емітера та колектора  припаюються виводи у вигляді  провідників, а вивід бази часто  має форму кільця – для зменшення  поперечного опору бази. Транзистор поміщення в металічний герметичний корпус, через який проходять в скляних ізоляторах вивідні провідники. В багатьох транзисторах один з виводів (бази чи колектора) з`єднанний з корпусом.

В сплавних транзисторах неможна зробити дуже тонку базу, і тому вони призначені тільки для низьких та середніх частот. При створені методом сплавлення більш тонкої бази її товщина трапляється неоднаковою в різних містах щоб не було ефекту смикання переходів приходиться зменшувати напругу колекторного переходу, що знижує передільну потужність транзистора.

Потужні сплавні транзистори  мають збільшену площу переходів, котрі виготовляються у формі смужок чи кілець. Для кращого охолодження в цих транзисторах колектор припаюється до корпуса, основу котрого роблять в виді більш масивної мідної пластинки. Тому у потужних транзисторах вивід колектора зазвичай з’єднаний з корпусом.

Сплавні транзистори  випускаються потужністю від 10 мВт  до десятків ватт. Їх перевагою є  те, що на колекторному та емітерному переходах можна дозволити зворотню напругу до 50-70 В для германія та до 70-150 В для кремнію. Однак передільну частоту практично не вдається зробити вище ніж 20 МГц. Недоліком сплавних транзисторів є також значне розсіювання параметрів та характеристик.

Сплавно-дифузійні транзистори  відрізняються тим, що у них базова область та колекторний перехід  виготовлені методом вплавлення. На (рис. 1.4) для приклада показаний один з варіантів пристрою сплавно-дифузійних германієвих транзисторів p-n-p-типу. В пластині германія з електропровідністю р-типу, яка є колектором, зроблена лунка, в котрій методом дифузії донорних домішок, наприклад сурми, створений тонкий шар бази. Сплавно-дифузійні транзистори мають робочі частоти до сотень мегагерц, але розраховані на невеликі потужності (до 100-150 мВт). Емітерний перехід в них малої товщини, та тому він може витримати тільки низькі зворотні напруги.

Конверсійні транзистори цікаві тим, що в них можуть бути отримані тонкі базові шари великої площі, необхідні для виготовлення більш потужних високочастотних транзисторів. В конверсійних транзисторах дифузійних емітерний перехід створюється за рахунок зворотної дифузії домішки з напівпровідника в метал емітерного електрода. Транзистори конверсійного типу мають відносно малу ємність і можуть працювати при відносно високій напрузі колекторного переходу. Їх недоліком є низька максимальна допустима зворотня напруга емітерного переходу.

1-основа колектора; 2-колектор; 3-дифузійний шар бази; 4-емітерний  сплав; 5-сплав для виводу бази.

 

Рисунок 1.4 – Принцип  улаштування сплавно-дифузійного транзистора та мезатранзистора.

 

Мезатранзистори. В них  застосовується мезаструктура. Такі транзистори виготовляються одразу в великій кількості з однієї пластини вихідного напівпровідника, що зменшує розсіювання параметрів. На поверхні цієї пластини, котра повинна бути колектором, методом дифузії створюють шар бази завтовшки в кілька мікрометрів. Для кожного транзистора в цей шар вплавляють маленькі краплі сплавів з відповідними домішками для утворення емітерної області та виводу від бази. Далі виконують травлення поверхні пластинки, захищаючи за допомогою спеціальної маски тільки невеликі ділянки коло бази та емітера. Після того як травленням знятий значний шар основної пластини, її розрізають на окремі транзистори. Структура отриманого транзистора схематично зображено на (рис.1.4). Для приклада показаний германієвий транзистор типу p-n-p.

 Такі транзистори мають малі ємкості переходів, малий опір та можуть працювати на частотах до сотень мегагерц. Зручно й те, що від колектора здійснюється гарний тепло вивід, як наслідок він має вивідний контакт відповідно великої площі.

Найкращим з дифузійних транзисторів є так званні планарні транзистори. В них n-p переходи утворюються дифузією домішок крізь отвори в захисному шарі, нанесеному на поверхні напівпровідника. Структура планарного транзистора показана на (рис.1.5). Планарні транзистори володіють гарними якостями та отримали великий попит. Вони практичні в виробництві та можуть бути виготовлені на різні потужності з високими максимальними частотами. Транзисторні та діодні елементи мікроелектронних схем, як правило, виготовляються по планарній технології.

 

 

Рисунок 1.5 – Принцип улаштування планарного транзистора

 

Планарно-епітаксальні транзистори є наслідком розвитку планарних транзисторів. При виготовленні таких транзисторів колекторна пластина напівпровідника має малий опір. На неї нарощується плівка такого ж напівпровідника, але з високим опором, а потім планарним методом створюються області бази та емітера (рис. 1.6).

Процес отримання на напівпровідниковій пластині шару, зберігаючого структуру пластини, але маючого  іншу провідність, називається епітаксальним нарощуванням.

Існує ряд інших, особливих типів транзисторів, які поки ще не отримали достатнього розповсюдження. До них відносять транзистор типу p-n-i-p. За рахунок низькоомного шару бази зменшується опір, а за рахунок високоомного шару знижується ємкість та збільшується максимальна напруга колектор-база.

 

Рисунок 1.6 – Принцип улаштування планарно-епітаксального транзистора

 

Особливий інтерес представляють  собою лавинні транзистори, які працюють в режимі лавинного розмноження носіїв, тобто при напругі колектор-база, яка перевищує допустиме для нормальної роботи в режимі посилення. При деяких обставинах лавинні транзистори мають від’ємне вихідний опір та £ >1. Це дозволяє використовувати їх в імпульсних пристроях для генерації коротких імпульсів та переключення.

Транзистор для НВЧ. Потужні НВЧ-транзистори можуть працювати при потужності в імпульсі до 100 Вт на частоті до 1 ГГц та до 5-10 Вт на частотах 4-5 ГГц і вище.

Транзистори малої потужності мають дуже малі розміри. Наприклад, на кремнієвій пластинці діаметром 40 мм формується 8000 транзисторів розміром 0,4 •0,4 мм. Такі транзистори зазвичай без корпусні, і їх часто застосовують в мікросхемах.

 

 

 

 

 

 

1.3 Схема транзисторного згладжуючого фільтра.

 

Окрім фільтрів типу LC та RC, широкого застосування знайшли транзисторні згладжуючі фільтри (рис.1.7). Вони мають малі розміри та масу, не створюють небажаних магнітних полів, які виникають навколо дроселя LC – фільтрів, мають менші втрати випрямленої напруги в порівнянні з фільтрами типу RC.

Розглядання вихідної характеристики транзистора з загальним емітером (рис.1.7.) показує, що на пологій її частині опір ділянки колектор – емітер змінному струму

 (1.18 )

 

більше, ніж постійному струму в робочій точці Р,

 (1.19)

Тому транзистор можна  використовувати замість дроселя  фільтра.

Одна з можливих схем транзисторного згладжуючого фільтра приведена на рис. 1.7.

                                a)                                                                       б)

a – схема;

б – вибір робочої точки на вихідній характеристиці транзистора

 

Рисунок 1.7 – Транзисторний згладжуючий фільтр

 

Необхідно відмітити, що при розрахунку випрямляча треба  враховувати характер опору навантаження, від якого в більшості залежать розрахункові співвідношення. В реальних схемах випрямлячів опір навантаження рідко буває активним. Це зв’язано з тим, що згладжуючий фільтр, вмикає мий між випрямлячем та споживачем, представляє собою реактивний опір. Як було показано вище, частіше за все фільтр починається з конденсатора. Тому характер навантаження на випрямляч зазвичай являється ємкісним.