Полупроводниковый триод — транзистор

ТОП 10:

⇐ ПредыдущаяСтр 21 из 29Следующая ⇒ Полупроводниковый триод, или транзистор, — это электронный прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Состоит он из двух p-n переходов, созданных в одном кристалле. В зависимости от чередования переходов различают p-n-p и n-p-n транзисторы. Средняя часть триода называется базой. Толщина ее должна быть по возможности меньше. Области с противоположным типом проводимости, прилегающие к базе, называют эмиттером и коллектором. Конструктивно коллектор имеет больший объем, чем эмиттер. Рассмотрим принцип работы транзистора на примере схемы, изображенной на рисунке 14.7 (схема с общей базой). Рис. 14.7 На переход «эмиттер-база» подается небольшое постоянное смещение Uэ в прямом направлении и усиливаемый переменный сигнал. Переход «база-коллектор» смещается в обратном направлении значительно большем, чем Uэ напряжением Uк. При таких смещениях сопротивление перехода «эмиттер-база» невелико, сопротивление перехода «база-коллектор» велико. Это позволяет взять в качестве нагрузки большое сопротивление Rвых. На рисунке 14.8 изображены графики потенциала в зависимости от координаты x в направлении перпендикулярном плоскостям p-n и n-p переходов (см. рисунок 14.7). Рис. 14.8 В случае отсутствия смещения двойной электрический слой, как мы узнали выше, препятствует движению основных носителей через p-n переход. При прямом смещении перехода «эмиттер-база» величина барьера уменьшается и «барьер» может превратиться в «горку», с которой будут «скатываться» основные носители (см. рис. 14.5б). Так дырки из эмиттера (у нас — p-область) будут в большом количестве переходить в область базы (n-область в нашем случае). Если база достаточно тонкая, то большая часть пришедших из эмиттера дырок за счет диффузии дойдет до перехода «база-коллектор», не успев рекомбинировать. А здесь для них, дырок, приготовлена потенциальная «горка», с которой они «скатываются» в область коллектора. У хорошего транзистора до 99% (и больше) основных носителей, вышедших из эмиттера, доходят до области коллектора. Можно считать, что ток коллектора I к примерно равен току эммитера Iэ. При изменении тока эмиттера, вызванном входным сигналом, настолько же изменится и ток коллектора. При этом мощность выходного сигнала будет больше, чем у входного, так как разность потенциалов на переходе «база-коллектор» больше, чем на переходе «эмиттер-база», а электрическая мощность, как известно, равна произведению тока на напряжение. P = IU. Таким образом, рассмотренная нами схема с общей базой усиливает сигнал по мощности.   Итоги лекции N 14 Атомы пятивалентных элементов, таких как фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb), добавленные в кристаллическую решетку четырехвалентных полупроводников германия (Ge) или кремния (Si), называются донорными примесями. Каждый атом донорной примеси может поставить в зону проводимости один электрон. Полупроводник с донорной примесью называется полупроводником n-типа, т.к. носителями заряда в этом случае яляются электроны, заряд которых отрицателен (от лат. negativ — отрицательный). Энергия связи донорного электрона с ионным остатком ~ 10-2 эВ, поэтому при комнатных температурах все донорные электроны переходят в зону проводимости (полная ионизация доноров). Вследствие этого примесная электронная проводимость не зависит от температуры, а определяется только концентрацией доноров. Атомы трехвалентных элементов, таких как бор (В), алюминий (Al), галлий (Ga), индий (In), добавленные в кристаллическую решетку четырехвалентных полупроводников германия (Ge) и кремния (Si) называются акцепторными примесями. Каждый атом акцептора может забрать из валентной зоны один электрон, создавая в ней носитель положительного заряда — дырку. Такой примесный полупроводник называется полупроводником р-типа (от лат. positiv — положительный). Энергия, необходимая для ионизации акцептора невелика (~10-2 эВ), поэтому уже при комнатных температурах все акцепторы будут ионизированы. Вследствие этого дырочная проводимость не будет зависеть от температуры, а определяется только концентрацией акцепторов. Контакт из двух примесных полупроводников с разным типом проводимости называется p-n-переходом. Такой переход обладает односторонней проводимостью. На основе свойств p-n перехода работает полупроводниковый диод. Прибор, состоящий из двух p-n переходов, созданных в одном кристалле, называется полупроводниковым триодом или транзистором. Транзистор используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.   ОСНОВЫ ФИЗИКИ ЛАЗЕРОВ   ЛЕКЦИЯ N 15 Вводные сведения Лазер(оптический квантовый генератор) — устройство, генерирующеекогерентные электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе. Термин «лазер» происходит от первых букв английского названия этого устройства: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiаtion — усиление света за счет вынужденного испускания излучения. Первые квантовые генераторы были созданы в 1953 г. советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и независимо от них американским ученым Таунсом. Всем троим в 1964 г. за эти работы присуждена Нобелевская премия по физике. Квантовые генераторы, созданные Басовым, Прохоровым и Таунсом, работали в микроволновом диапазоне и их английское название «мазер» образовано по тому же принципу, что и термин «лазер», только вместо слова «Light» (свет) используется слово «Microwave» (микроволновое излучение). Первый квантовый генератор, работающий в оптическом диапазоне — рубиновый лазер — был создан в 1960 г. Т. Мейманом (США). Лазер содержит три основных компонента: 1) активная среда, в которой создают инверсию населенности. 2) система накачки — устройство для создания инверсии населенности. 3) устройство положительной обратной связи — оптический резонатор. Главными процессами, приводящими к лазерному излучению являются: 1) вынужденное излучение; 2) положительная обратная связь.   

§ 250. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы — диода (см. § 105). Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один p-n-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом. Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные.

В качестве примера рассмотрим точечный германиевый диод (рис.339), в котором тонкая вольфрамовая проволока

1 прижимается к n-германию 2 острием, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия Аl в Ge и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий p-проводимостью.

На границе этого слоя образуется p-n-переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления. Благодаря малой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.

Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купроксного) выпрямителя дана на рис. 340. На медную пластину с помощью химической обработки наращивается слой закиси меди Cu₂O, который покрывается слоем серебра. Серебряный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь. Часть слоя Си₂0, прилегающая к Cu обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Cu₂O, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом,— дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Cu

2O к Cu (pn).

Технология изготовления германиевого плоскостного диода описана в §249 (см. рис. 325). Распространенными являются также селеновые диоды и диоды на основе арсенида галлия и карбида кремния. Рассмотренные диоды обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувствительны к температуре, поэтому интервал их рабочих температур ограничен (от -70 до +120°С). p-n-Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести

405

обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия 1956 г.).

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50—80 °С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-n-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.

Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-n-р, т. е. триода на основе n-полупроводника (рис. 341). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов — металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором — постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление R_вх, а усиленное — снимается с выходного сопротивления R_вых.

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» — инжекцией — в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и изменяют ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении — переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств р-n-переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Б_к. Обычно R_вых>>R_вх, поэтому U_вых значительно превышает входное напряжение U_вх (усиление может достигать 10000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в R_вых, может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.

Из рассмотренного следует, что транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.

Принцип работы транзистора n-р-n—тнпа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами (малые габаритные

406

размеры, высокие к. п. д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода (поэтому потребление меньшей мощности), отсутствие необходимости в вакууме и т. д.)

транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.

Контрольные вопросы

• В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?

• Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?

• Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики?

• Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?

• Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?

• Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?

• Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны? Доказать это положение.

• Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?

• Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?

• Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости? Что такое красная граница фотопроводимости?

• Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресценции?

• В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?

• В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?

• Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n-типа? с полупроводником p-типа? Объясните механизм его образования.

• Как объяснить одностороннюю проводимость p-n-перехода?

• Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.

• Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?

• Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?

Задачи

31.1. Германиевый образец нагревают от 0 до 17 °С. Принимая ширину запрещенной зоны кремния 0,72 эВ, определить, во сколько раз возрастет его удельная проводимость. [В 2,45 раза]

31.2. В чистый кремний введена небольшая примесь бора. Пользуясь Периодической системой Д. И. Менделеева, определить и объяснить тип проводимости примесного кремния.

31.3. Определить длину волны, при которой в примесном полупроводнике еще возбуждается фотопроводимость.

* Дж. Стокс (1819—1903) — английский физик и математик.

Триод — Википедия

Эта статья — об электровакуумном приборе. О полупроводниковом триоде см. Транзистор. Схема простейшего вакуумного триода с катодом прямого накала Схема вакуумного триода с катодом косвенного накала Схемное обозначение вакуумного триода с катодом косвенного накала

Эле́ктрова́куумный трио́д, или просто трио́д, — электронная лампа, позволяющая входным сигналом управлять током в электрической цепи. Имеет три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и одну управляющую сетку.

Изобретён и запатентован в 1906 году американцем Ли де Форестом. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.

Наименование триод в 1950—1970 годах, во времена становления полупроводниковой электроники, также употреблялось и для транзисторов — по числу выводов, часто с уточнением: полупроводниковый триод, или с указанием материала: (германиевый триод, кремниевый триод).

Триоды были первыми устройствами, которые использовались для усиления электрических сигналов в начале XX века.

Нелинейность вольт-амперной характеристики триода пропорциональна квадратному корню из третьей степени величины тока анода^[1], то есть она имеет более высокую линейность, чем полупроводниковые транзисторы XX века. Благодаря этому вакуумные триоды вносят минимальные нелинейные искажения в усиливаемый сигнал.

В ходе дальнейшего совершенствования триода были разработаны многосеточные лампы: тетрод, лучевой тетрод, пентод и другие.

В настоящее время вакуумные триоды практически полностью вытеснены полупроводниковыми транзисторами. Исключение составляют области, где требуется преобразование сигналов с частотой порядка сотен МГц — ГГц большой мощности при небольшом числе активных компонентов, а габариты и масса не столь критичны, — например, в выходных каскадах радиопередатчиков. Мощные радиолампы имеют сравнимый с мощными транзисторами КПД; надёжность их также сравнима, но срок службы значительно меньше. Маломощные триоды имеют невысокий КПД, так как на накал тратится значительная часть потребляемой каскадом мощности, порой более половины от общего потребления лампы.

Также на базе ламп всё ещё делается некоторая часть высококачественной акустической усилительной аппаратуры классов Hi-Fi и Hi-End, несмотря на то, что фиксируемый приборами коэффициент нелинейных искажений у почти любых современных транзисторных приборов во много раз меньше, чем у ламповых.^{[источник не указан 2231 день]} Несмотря на высокую стоимость, такая аппаратура весьма популярна у музыкантов и аудиофилов благодаря её так называемому более «тёплому», «ламповому» звучанию, которое якобы воспринимается человеком как более естественное и близкое к тому, что было при записи исходного звука. Триод — простая по конструкции лампа, имеющая при этом высокий коэффициент усиления, поэтому она хорошо вписывается в один из принципов построения альтернативной звукотехники — принцип минимализма, то есть предельной простоты аппаратуры.

Двойной триод с объединённым катодом. Условное графическое обозначение. а1 — анод первого триода, а2 — анод второго триода, с1 — сетка первого триода, с2 — сетка второго триода, к — катод, п — подогреватель катода. Российский двойной триод 6Н2П

Комбинированные лампы, конструктивно представляющие сборки двух и более индивидуальных триодов, заключенных в общую вакууммированную колбу, называют двойными триодами. Обычно оба триода имеют раздельные и изолированные друг от друга системы электродов — анодов, сеток и катодов. Существуют типы сдвоенных триодов с общим катодом. Практически всегда цепи накала обоих катодов электрически соединены внутри баллона и из баллона выведено только два вывода накала.

В основном, двойные триоды — приборы, предназначенные для работы в усилителях звуковых частот (УНЧ), схемах промышленной автоматики, переключательных схемах. Но существуют и высокочастотные сдвоенные триоды, например, 6Н3П.

На закате ламповой эры, с целью повысить интеграцию ламповых схем, выпускались строенные триоды (конструктив «компактрон» (англ. compactron), где в одном баллоне совмещались три триода, однако эти лампы, в отличие от двойных триодов, не получили массовое распространение. В то время в промышленности наиболее широко применялись маломощные двойные триоды 6Н2П, 6Н1П, 12AX7, 6SN7, 6SL7, другие.

Применение сдвоенных триодов улучшало массогабаритные характеристики электронной аппаратуры.

Отечественные двойные триоды[править | править код]

• 1Н3С — двойной триод, малой мощности, с общим катодом прямого накала. Предназначен для использования в выходных каскадах УНЧ (до 1,5 Вт), работающих в классе В, что позволяет работать с батарейным питанием.
• 6Н5С, 6Н13С — двойной низкочастотный мощный триод, с октальным цоколем, аналог 6AS7. Предназначен для работы в стабилизаторах напряжения. Может эффективно использоваться в высококачественных УНЧ; на базе современных 6Н13С российского производства строится большинство современных бестрансформаторных ламповых усилителей.
• 6Н7С — двойной низкочастотный триод с общим катодом, с октальным цоколем, аналог 6N7. Предназначался для дифференциальных каскадов усилителей НЧ, а также для оконечных каскадов УНЧ, работающих в классе В.
• 6Н8С — низкочастотный двойной триод, c октальным цоколем, аналог 6SN7 — наиболее распространённой лампой в современной аппаратуре. Предназначен для усиления сигналов низкой частоты.
• 6Н9С — низкочастотный двойной триод c высоким коэффициентом усиления, с октальным цоколем, аналог 6SL7. После снятия с производства выпускался аналог в «пальчиковом» корпусе 6Н2П. Предназначен для усиления сигналов высокой частоты. Применяется в телевизионной и приёмно-передающей аппаратуре.
• 6Н1П — двойной миниатюрный низкочастотный триод, функциональный аналог 6Н8С и 6DJ8. Отличается более высоким током накала. Производились импульсные версии 6Н1П-И с повышенной предельной эмиссией электронов на катоде.
• 6Н2П — двойной миниатюрный низкочастотный триод с высоким коэффициентом усиления, функциональный аналог 6Н9С. Электрический аналог широко распространенной лампы 12AX7, но несовместим с ней по разводу электрических выводов.
• 6Н3П — двойной миниатюрный высокочастотный триод. Широко применялся в отечественных гражданских радиоприёмниках — на 6Н3П строились блоки преобразования частоты УКВ диапазона.
• 6Н23П — двойной миниатюрный триод, функциональный аналог ECC88. Предназначен для широкополосного усиления напряжения высокой частоты, схем промышленной автоматики.
• 6Н6П, 6Н30П — двойные миниатюрные триоды средней мощности. Предназначены для усиления низкой частоты и работы в импульсных схемах, а также в двухтактных выходных каскадах УНЧ малой мощности. 6Н30П — вероятно, единственная из советских ламп, не имеющих зарубежных аналогов, которая используется в современных зарубежных промышленных изделиях.
• 6Н17Б — двойной малогабаритный триод малой мощности.

Полупроводниковый диод, его свойства и область применения

Полупроводниковые диоды относятся к электронным приборам, использующим одностороннюю проводимость электронно-дырочного перехода.

I_пр

I_обр

р-n-переход

обладает неодинаковыми

сопротивлениями в прямом

и обратном направлениях;

U_обр

U_пр

можно преобразовать

I_перемвI_пост.

I_обр

Диоды
Точечные	Плоскостные
электронно-дырочный переход создаётся в месте контакта пластинки Ge(Si) с заострённой металлической проволочкой, имеющейакцепторные \ донорные примеси. Используются: — в маломощных выпрямительных схемах; — для детектирования и преобразования частоты; — в измерительной аппаратуре	основаны на использовании р-n-перехода. Изготовляются методом сплавленияGeсIn(акцептором). При нагреванииInплавится и диффундирует вGeна границе сInуGe– дырочная односторонняя проводимость Используются: — выпрямление, преобразование, стабилизация, генерация и т.п.

Два опасных случая:

1) U_обр.max>[U]

Включаем несколько диодов последовательно для равномерного распределения напряжения между ними. Из-за разброса параметров диодов можетR_обр.различныUраспределяется между диодами ~ ихRможет также бытьU_обр.max>[U] на одном из них подключаются активные сопротивленияR_ш~1-10 кОм.

2) I>[I]

П

D₁ D₂

R_ш R_ш

R_д D₁

R_дD₂

рименяется параллельное включение диодов. Чтобы устранить разбросRдиодов на работу схемы, последовательно с ними подключаются добавочные сопротивленияR_д~0,2-0,8 кОм.

Случай 1 Случай 2

Принцип действия транзистора (полупроводникового триода)

Полупроводниковый триод (транзистор) представляет собой электронный прибор, основанный на свойствах двух, расположенных весьма близко друг к другу, электронно-дырочных р-nпереходов.

Основной элемент транзистора – кристалл германия или кремния, в котором с помощью соответствующих примесей создаются три слоя с различными типами проводимости.

в обоих транзисторах – 2 p-n-перехода с динамическим равновесием

К

Э

К

Э

К

К

Si

На основе Ge (германия)

На основе Si (кермния)

Принцип действия транзисторов обоих типов один и тот же. Различие состоит лишь в выборе полярности присоединяемых источников питания.

Э – эмиттер; Б – база; К – коллектор.

Транзисторы включаются в схему таким образом, чтобы к p-n-переходу П₁эмиттер-база внешнее напряжение было приложено в прямом направлении, а кp-n-переходу П₂коллектор-база – в обратном направлении. При включении внешних напряжений для обоих полупроводниковых триодов потенциальный барьер между эмиттером и базой понижается, а между базой и коллектором – увеличивается. В результате этого основные носители заряда эмиттерного слоя переходят в область базы, а затем в область коллектора, создавая ток через коллекторныйp-n-переход.

Одновременно с этим имеет место и переход основных носителей заряда базы через эмиттеный переход. Однако в область базы при изготовлении триода вводят << примесей, чем в эмиттер, поэтому ток через эмиттерный переход создаётся главным образом переходом основных носителей заряда эмиттера через базу. Если время прохождения основных носителей заряда эмиттера через базу много меньше времени их независимого существования, то основная часть этих носителей дойдёт до коллекторного перехода. При этом лишь небольшая часть указанных носителей рекомбинирует в базе с её основными носителями. Значит, величина тока, протекающего через коллекторный переход, определяется и зависит от величины тока, протекающего через эмиттерный переход.

Связь между током коллекторной и током эмиттерной цепей:

α=di_k/di_эприU_k=const. – коэффициент передачи тока.

В простейшем случае: α=I_k/I_э.

Для плоскостных транзисторов: α=0,92-0,99.

Ток базы: I_б=I_э-I_k.

Как выводить формулы:

Общие формулы, независимые от схемы включения транзистора:

— коэффициент усилительного каскада по току K_i=i_вых/i_вх

—

i,u– мгновенные значения

коэффициент усиления по напряжениюK_U=U_вых.U_вх

— коэффициент усиления по мощности K_P=K_i∙K_U

— входное сопротивление каскада R_вх=U_вх/i_вх

За основной электрод, от которого отсчитываются напряжения, в данной схеме принимается база. Эмиттерная цепь – входная, а коллекторная – выходная.

Отсюда K_iб=i_вых /i_вх=i_k/i_э=α , гдеi_k– ток коллектора,i_э– ток эмиттера.

Соотношение между токами эмиттера, коллектора и базы для схемы с общей базой: i_э=i_k+i_б, гдеi_б– ток базы.

Входящее в выражение для коэффициента усиления по напряжению входное сопротивление для этой схемы оказывается равным R_вхб=U_эб/i_э=R_эб. Это сопротивление открытогоp-n-перехода.R_эб~ 10-100 Ом.

В усилителях на транзисторах сопротивление коллекторного перехода:

R

Поэтому K_U>1

_H>> сопротивления слоя базы

R_б>> сопротивления эмиттерного переходаR_э.

В соответствии с условными положительными направлениями напряжений нетрудно установить, что сигналы на входе и на выходе схемы с общей базой совпадают по фазе.

Схема включения транзистора с общим эмиттером и её коэффициенты

Наиболее часто используют схему с общим эмиттером, с помощью которой возможно осуществить усиление по току, по напряжению и наибольшее по сравнению с другими схемам усиление по мощности. У схемы ОЭ малое входное сопротивление, порядка сотен Ом.

В

α=i_k/i_э α=β/(1+ β)

i_э=i_k+i_б β=α/(1-α)

о многих справочниках по транзисторам даётся коэффициент усиления по току для схемы ОЭ: β=i_k/i_б. β~10-100.

С

=>

вязьβcαможно выразить из системы:

,

За основной электрод, от которого отсчитываются напряжения, в данной схеме принимается эмиттер. Цепь базы – входная, а коллекторная цепь– выходная.

Тогда коэффициент усиления по току K_iэ=i_k/i_б=β=α/(1-α).

Так какα~0.91-0.99, коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером оказывается больше 1 эта схема может быть использована для усиления тока.

Выражение для коэффициента усиления по напряжению для этой схемы:

K_uэ=U_вых/U_вх=i_kR_Hэ/(i_бR_вхэ)=βR_Hэ/R_вхэ.

Входное сопротивление в этой схеме: R_вхэ=U_вх/i_вх=U_эб/i_б

Выразим ток базы через ток эмиттера: i_б=i_э(1-α)

Подставим в выражение для входного сопротивления: R_вхэ=U_эб/i_э(1-α)=R_эб/(1-α)=R_эб(1+ β)

Тогда K_Uэ=βR_Hэ/(1+β)R_эб=αR_Hэ/R_эб.

Сопротивление R_эботкрытого перехода обычно << нагрузочного сопротивленияR_Hэ, поэтомуK_Uэ>1 => схема ОЭ может быть использована и для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности:

K_pэ=K_iэK_Uэ=β²R_Hэ/(1+β)R_Эб=α²R_Hэ/(1-α)R_Эб.

Если проанализировать это выражение, то можно доказать, что схема ОЭ может быть использована и для усиления мощности.

При этом в соответствии с условным положительным направлением напряжение в схеме ОЭ входной и выходной сигналы находятся в противофазе, то есть сдвинуты относительно друг друга на угол, равный 180⁰.

Схема включения транзистора с общим коллектором и её коэффициенты

Схема ОК имеет большое входное сопротивление, порядка десятков и сотен кОм, и низкое выходное сопротивление. Поэтому эту схему часто применяют в многокаскадных усилителях в качестве согласующего каскада и выходного каскада при работе на низкоомную нагрузку.

Коэффициент усиления по току может быть записан:

K_ik=i_вых/i_вх=i_э/i_б= i_э/ i_э(1-α)=1/(1-α)=1+ β>1.

Коэффициент усиления по напряжению для схемы ОК:

K_Uk=U_вых/U_вх=i_эR_Hk/(i_бR_вх)=K_ikR_Hk/R_вх.

При этом входное сопротивление для схемы ОК: R_вхк=U_вх/i_б=U_вх/i_э(1-α).

По второму закону Кирхгофа: U_вх=i_эR_Hk+U_эб. Подставляем в предыдущую формулу:

R_вхк=R_Hk/(1-α)+U_эб/i_э(1-α)=R_Hk/(1-α)+R_эб/(1-α).

Так как R_эб<<R_Hk, это выражение можно упростить:

R_вхк=R_Hk/(1-α) ≈R_Hk(1+β).

Значит, входное сопротивление схемы ОК зависит от сопротивления нагрузки и может достигать больших значений порядка 10-100 кОм.

Подставляем входное сопротивление вида R_вхк=R_Hk/(1-α) в коэффициент напряжения, получаем:K_Uk≈1. Значит, схема с общим коллектором не пригодна для усиления напряжения.

Коэффициент усиления по мощности:K_Pk=K_ikK_Uk=1/(1-α) ∙ 1 ≈1/(1-α)=β+1.

Полученные выше формулы позволяют дать сравнительную оценку возможных схем включения транзистора и установить эффективность применения той или иной схемы с точки зрения усиления тока, напряжения и мощности.

Ток: K_ik≈K_iэ≈50K_iб при α=0.98;

Напряжение: K_Uб≈K_Uэ>>K_Uk

Входное сопротивление: R_вхк>>R_вхэ≈ 50R_вхб

Ммощность: K_Pэ≈50K_pб>K_pkпри равенстве нагрузочных сопротивлений для ОЭ и ОБ.

Полупроводниковый триод | Шаг за шагом

Мы уже знакомились с устройством полупроводникового диода (Как работает диод). В нем есть две примыкающие друг к другу зоны полупроводникового материала: зона со свободными положительными зарядами (зона р) и зона со свободными электронами (зона n). Область между этими зонами называется рn-переходом.

В полупроводниковом триоде также имеются зоны с различной проводимостью, но не две зоны, как в диоде, а три.

Из нескольких типов выпускаемых в настоящее время транзисторов наиболее широкое распространение получили плоскостные германиевые транзисторы типа р-n-р. Основой такого транзистора является кристалл германия, в котором имеется некоторое количество свободных электронов (зона n). В двух местах в этот кристалл вкраплены мельчайшие кусочки металла индия (лист 100). В местах соприкосновения с индием в кристалле германия появляется некоторое количество свободных положительных зарядов. Таким образом, в полупроводниковом триоде по краям зоны n образуются две зоны р, а значит, и два рn-перехода, и поэтому полупроводниковый триод типа р-n-р можно рассматривать как два плоскостных диода с общей зоной n. В плоскостных диодах, так же как и в транзисторах, рn-переход создается путем вкрапления индия в германий.

Один из кусочков индия с прилегающей к нему зоной р получил название «эмиттер» («выбрасывающий заряды»), другой — «коллектор» («собирающий заряды»), а сам кристалл германия называется базой (иногда основанием) триода.

Корпус транзистора обычно выполняют из металла или пластмассы. Из корпуса через миниатюрные стеклянные или керамические изоляторы выходят три тонкие проволоки: выводы коллектора, эмиттера и базы (лист 101).

При использовании транзистора в усилительном каскаде между базой и коллектором включают батарею (ее напряжение обычно составляет несколько вольт), которая и дает энергию, необходимую для получения усиленного сигнала (лист 102, рис. 59). «Плюс» этой батареи соединяют с базой, а «минус» — с коллектором. Таким образом, рn-переход между основанием и коллектором (коллекторный переход) фактически представляет собой диод, включенный в «обратном» направлении, то есть почти не пропускающий тока.

На эмиттер, наоборот, подают небольшое (обычно десятые доли вольта) положительное напряжение, и поэтому рn-переход между эмиттером и базой (эмиттерный переход) фактически представляет собой диод, включенный в прямом направлении, то есть хорошо пропускающий ток.

Но оба эти рn-перехода (эмиттерный и коллекторный) нельзя рассматривать как два отдельных, изолированных друг от друга полупроводниковых диода, так как они имеют общую зону — кристалл германия. Поэтому, когда появляется ток в цепи эмиттера, то одновременно с этим возникаетхок и в цепи коллектора: почти все положительные заряды, попадающие из эмиттера в базу, «просачиваются» сквозь него (это явление называется диффузией), попадают в коллекторный pn-переход и сразу же начинают двигаться к коллектору под действием отрицательного напряжения на нем. Это напряжение помогает положительным зарядам легко преодолеть сопротивление коллекторного рn-перехода. Вы, очевидно, не забыли, что коллекторный переход — это диод, включенный в обратном направлении, то есть обладающий большим сопротивлением! Более того, если в цепь коллектора включить какое-нибудь сопротивление (сопротивление нагрузки), то коллекторный ток, затратив часть энергии, полученной от батареи, преодолеет и это сопротивление, выделив на нем соответствующую мощность.

Переменное напряжение, которое нужно усилить, например, переменное напряжение ВЧ, действующее на контуре, или переменное напряжение НЧ, которое можно получить с детектора, подводится к полупроводниковому триоду таким образом, чтобы оно действовало между эмиттером и базой и управляло бы величиной тока в эмиттерном переходе. При этом под действием усиливаемого переменного напряжения изменяется ток эмиттерного перехода, то есть изменяется и количество положительных зарядов, которые из эмиттера попадают в базу, а оттуда переходят в цепь коллектора.

Таким образом, точно следуя за всеми изменениями усиливаемого сигнала, изменяется коллекторный ток — появляется «мощная копия» усиливаемого сигнала. Энергия на создание этой «мощной копии» получена от коллекторной батареи, а роль эмиттерного перехода сводится лишь к тому, чтобы «поставлять» положительные заряды, необходимые для образования коллекторного тока, и регулировать количество «поставляемых» зарядов в соответствии с изменениями усиливаемого сигнала.

Поскольку эмиттерный переход включен в прямом направлении, то необходимый ток эмиттерной цепи, то есть необходимое количество движущихся зарядов, удается получить при небольших усиливаемых напряжениях.

Как видите, транзистор никакого мощного, усиленного сигнала не дает. Если уж говорить об электрической мощности, то она выделяется на сопротивлении нагрузки лишь только потому, что это сопротивление подключено к батарее с достаточно большой э.д.с. Но если бы мы просто подключили нагрузку к батарее, то в цепи протекал бы обычный постоянный ток. Только потому, что вместе с нагрузкой мы подключили к батарее транзистор, у нас появилась возможность управлять током, который проходит через нагрузку, и, изменяя его по «образцу» — входному сигналу, — получать «мощную копию» этого сигнала. Используя транзисторы, можно построить сравнительно простые детекторные приемники (лист 102), где транзистор не только усиливает, но и детектирует сигнал. Число витков той части контурной катушки L_к, которая подключается к триоду, так же как и число витков катушки связи L_св, обычно не превышает 10-20.

Транзистор позволяет управлять током самым простым путем — с его помощью мы просто изменяем количество зарядов, которые попадают с базы в коллекторную цепь и могут участвовать в создании тока через нагрузку.

Управлять этим током можно и иначе, например так, как это делается в электронной лампе.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРИОДЫ (ТРАНЗИСТОРЫ) | Техника и Программы

Полупроводниковые триоды, так же как и диоды, разделяются на плоскостные (слоистые) и точечные.

Плоскостной полупроводниковый триод содержит в себе пластинку, вырезанную из монокристалла германия, состоящую из трех областей с разными типами проводимости. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, противоположным по отношению к средней. Так, если средняя область имеет дырочную проводимость, то обе крайние области обязательно обладают электронной проводимостью. Триоды, у которых средняя область обладает электронной проводимостью, сокращенно называются триодами р-п-р типа, а у которых средняя область обладает дырочной проводимостью, — триодами п-р-п типа. Физические процессы, происходящие в триодах п-р-п типа, аналогич_: ны процессам, протекающим в триодах р-п-р типа.

Одна из возможных конструкций полупроводникового триода типа р-п-р приведена на рис. 61. К пластинке

Рис. 61. Конструкция плоскостного транзистора

] из полупроводникового материала, например германия, одного типа проводимости, в данном случае типа п, с двух сторон вплавлено по электроду 3 из полупроводника типа р, например индия.

Германиевая пластинка припаяна к кристаллодер- жателю 2, который закреплен в герметичном металлическом корпусе. От германиевой пластинки 1 и электродов сделаны выводы. Выводы от крайних электродов изолируются от корпуса транзистора с помощью стеклянных бусинок 5, а вывод германиевой пластинки приварен к корпусу транзистора, так как металлический кристаллодержатель 2 прикреплен прямо к корпусу транзистора.

В других конструкциях транзисторов ни один из выводов может не соединяться с корпусом или с корпусом может быть соединен другой электрод. Так, в мощных транзисторах типа П201 с корпусом соединен вывод коллектора. Составные части транзистора имеют специальные названия. Средняя пластинка 1 называется базой (или основанием) транзистора, меньший вплавленный электрод называется эмиттером, а больший — коллектором.

По своему назначению эмиттер транзистора можно считать подобным катоду, коллектор — аноду, а базу —

управляющей сетке трехэлек- тродной электронной лампы. Конечно, эта аналогия условная, так как пррцессы в транзисторах отличаются от процессов, происходящих при работе в радиолампах. Однако при использовании транзистора в радиотехнических схемах электроды транзистора выполняют те же функции, что и названные выше электроды радиоламп.

Чтобы транзистор мог усиливать или генерировать электрические колебания, на его электроды надо подать определенные напряжения от источника питания. Между выводами эмиттера и базой напряжение прикладывается в проводящем направлении, а между эмиттером и коллектором—в запорном. Необходимая для этого полярность источника питания показана на рис. 62.

Роль эмиттера сводится к введению в средний слой (область базы)- дырок. Эти дырки притягиваются коллектором, так как к коллектору приложено отрицательное напряжение. Движение дырок создает ток в цепи: батарея Е_э и переход база — коллектор транзистора. Чем больше положительное напряжение на эмиттере, тем больше вводится дырок и тем больше ток в цепи коллектора.

Поскольку коллектора достигают не все дырки, а часть их соединяется с электронами в области базы, то ток коллектора несколько меньше тока эмиттера. Отношение тока коллектора к току эмиттера называется коэффициентом усиления по току а. Этот коэффициент меньше единицы, и чем ближе он к единице, тем выше усилительные качества транзистора. По аналогии а электронными лампами эмиттер и база называются входными электродами, а коллектор — выходным.

В приведенной на рис. 62,а схеме база является общим электродом для входной и выходной цепи, поэтому эта схема называется схемой с общей (или, как иногда говорят, заземленной) базой. В этой схеме напряжение сигнала подается на эмиттер транзистора, а нагрузка включается в цепь коллектора. Это соответствует случаю подачи сигнала на катод для электронных ламп.

Однако почти всегда электронные лампы включают так, что напряжение сигнала подается не на катод, а на сетку. Транзистор также чаще всего включают так, что напряжение сигнала * подают на базу (рис. 62,6). Такая схема носит название схемы с общим эмиттером. Из рисунка видно, что ток в цепи базы, т. е. во входной цепи, равен разности токов эмиттера /_э и коллектора /*. Так как ток эмиттера незначительно больше тока коллектора, то ток в цепи базы оказывается в десятки раз меньше тока в цепи эмиттера и коллектора. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току в схеме с общим эмиттером и обозначается р. Коэффициент усиления Р лежит в пределах от 10—15 до 100—200. Чем больше р, тем большее усиление можно получить в каскаде усиления с транзистором.

Коэффициент р оказывается связанным с а простым соотношением:

Г. Полупроводниковый триод (транзистор) — КиберПедия

Транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехо­да.

Основой устройства транзисторов является монокристалл полупро­водника с двумя близко расположенными и взаимодействующими p- n. переходами. При этом чередование областей разнотипной прово­димости монокристалла проводника может быть как p — n — p, так и n — p — n (рис. 2.8).

Наибольшее распространение получили плоскостные транзисторы типа p-n-p (технология изготовления их проще).

Левая область, имеющая меньшие размеры, называется эмиттером (Э), правая — коллектором (К). Область кристалла, находящая­ся между эмиттером и коллектором с проводимостью типа n, называется базой (Б).

Концентрация примесных атомов в каждой их этих областей различна. Наибольшую плотность ОНЗ имеет эмиттер, наименьшую — база. Эмиттер (Э) транзистора подобен катоду вакуумного триода, база (Б) подобна сетке, а коллектор (К) — аноду.

Принято электронно-дырочный переход эмиттер-база называть эмиттерным переходом, а переход база-коллектор — коллекторным.

Природа электронно-дырочных переходов транзистора такая же, как и у диода. Если внешнее напряжение к транзистору не подклю­чено, то на его электронно-дырочных переходах возникают такие же потенциальные барьеры, как и у диода.

Транзистор представляет собой как бы два последовательно соединенных электронно-дырочных перехода. Для транзистора типа р — n — р крайние его части обладают дырочной проводи­мостью, а средняя — электронной. Принцип действия транзистора рассмотрим на примере транзистора типа n — p — n (p — n –p аналогичен), когда к эмиттерному переходу подключен источник Е_э (для германиевых триодов Е_э = 0,1-1 В) в прямом направлении и понижающий потенциальный барьер, а к коллекторно­му переходу источник напряжения Ек (Ек = 5-30 В) в обратном на­правлении и повышающий потенциальный барьер (рис. 2.9).

Как видно их схемы включения, транзистор имеет две электрические цепи: эмиттерную и коллекторную.

Эмиттерная или входная цепь состоит из источника постоян­ного напряжения Еэ, эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении.

Коллекторная или выходная цепь состоит из источника по­стоянного напряжения Ек и коллекторного перехода, включенного в обратном направлении Ек >> Еэ. База и базовый вывод являют­ся общим элементом для входной и выходной цепей транзистора, поэтому рассматриваемая схема включения транзистора называется схемой с общей базой.

В результате подачи внешних напряжений в транзисторе про­исходят следующие физические процессы.

При снижении потенциального барьера эмиттерного перехода диффузия дырок в базу увеличивается. Навстречу дыркам к эмитте­ру устремляются электроны базы. Так возникает эмиттерный ток Iэ, который состоит из дырочной составляющей Iэр и электрон­ной Iэn. Однако, учитывая, что толщина базы ничтожно мала (0,1-1,2 мм) и концентрация электронов в базе примерно на два порядка меньше концентрации дырок в эмиттере, электронная состав­ляющая тока Iэn. мала и им можно пренебречь. Следовательно, ток эмиттера Iэ Iэn определяется дырочной составляющей тока. Войдя в базу, дырки перемещаются в направлении коллектора, так как концентрация их вблизи коллекторного перехода меньше, чем у эмиттерного. Так как толщина базы мала, то лишь ничтожная часть дырок успеет рекомбинировать с электронами базы, обуславли­вая ток базы Iб. Количество рекомбинаций составляет 1-5 % от общего количества инжектированных дырок, поэтому Iб=(1-5)% Iэ.

Пройдя базу, дырки попадают в зону действия электрического поля (Е) коллекторного перехода, включенного в обратном направ­лении, но для дырок являющегося ускоряющим (силовые линии направ­лены от базы к коллектору, т.е. от «+» к «-» источника). Поэто­му дырки перебрасываются в область коллектора, где рекомбинируются с электронами, поступающими от источника Ек.

Появляется ток коллектора Iк, величина которого опреде­ляется количеством переброшенных дырок из базы в коллектор. В соответствии с первым законом Кирхгофа Iэ = Iб + Iк.

Отсюда Iк = Iэ — Iб = (95-99)% Iэ = Iэ, ибо Iб = (1-5) % Iэ, где =0.95-0,99, — коэффициент усиления по току или коэффициент передачи тока эмиттера.

Если во входную цепь транзистора последовательно с источни­ком Еэ подключить источник сигнала в виде переменного напряжения ~Uвх, то на эмиттерный переход будет воздействовать два на­пряжения: Uэб = ~Uвх + Eэ.

Величина потенциального барьера, а, следовательно, и ток будет изменяться по закону изменения сигнала ~Uвх. По этому же закону будет изменяться и выходной ток Iк, ибо Iк = Iэ.

Таким образом, принцип действия транзистора основан на воз­можности управления выходным током посредством изменения вход­ного тока, т.е. транзистор является управляемым прибором.

Поскольку напряжение в цепи коллектора (Ек) в десятки раз больше напряжения в цепи эмиттера (Eэ), а токи практически в этих цепях равны (Iк= Iэ, где близок к единице), то Pвх = Uэб Iэ, а Pвых=Uбк Iэ (Uбк — десятки вольт, а Uэб – доли вольт), то Pвых>>Pвх.

Следовательно, транзистор является усилительным прибором.

Как и электронная лампа с сеточным управлением, транзистор мо­жет быть в открытом и запертом (закрытом) состояниях.

Транзистор считается открытым, если через него протекает токи Iэ, Iб, Iк . Для этого необходимо, чтобы Uбэ < 0 и включено в прямом направлении. Для запирания транзистора необхо­димо эмиттерный и коллекторный p — n переходы включить в об­ратном направлении. В запертом состоянии в цепях электродов тран­зистора проходят обратные токи Iэо, Iбо, Iко.

Таким образом, в отличие от электронных ламп, в которых в запертом состоянии токи в цепях электродов равны нулю, транзис­тор можно запереть только до величины обратных токов через p — n, переходы.

 

Третий учебный вопрос.