Электроника - лекции, лабораторные работы

Лабораторная работа по электронике
Исследование диодных схем
Трехфазные цепи синусоидального тока
Полупроводниковые приборы
Полупроводниковые выпрямители

Транзистор как активный четырёхполюсник

 При исследованиях и расчетах удобно рассматривать транзистор как усиливающее мощность устройство, на входе которого действуют напряжение U1 и ток I1, а на выходе – напряжение U2 и ток I2. Такую модель называют активным четырехполюсником. Так как транзистор имеет только три вывода, один из них должен быть общим для цепей входа и выхода. На рис.11а представлена схема с О.Э. (общим эмиттером).

 


 Iк Iб˝ Iб ΔUкэ

 ΔIб  ΔU΄бэ

 I1 I2 ΔI΄к I΄б I΄б 

 U1 U2  ΔIк Р D

 P ΔUкэ 

  а) ΔUбэ

 U΄кэ U˝кэ Uкэ Uбэ 

 б) в)

Рис. 11

Если принять в качестве независимых переменных I1 и U2, то U1 и I2 являются функциями U1=f1(I1,U2); I2=f2(I1,U2). Дифференцируя U1 и I2 по I1 и U2, получим систему двух уравнений:

Обозначим:

Подразумевая под U1, I1, U2 и I2 малые приращения их постоянных значений или амплитуды их переменных составляющих, дифференциальные уравнения с учетом обозначений можно переписать в виде:

.

Коэффициенты, входящие в эту систему, называются h – параметрами, имеющими определенный физический смысл:  при U2=0 – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе, его можно вычислить, если источник напряжения U2 подключить к выходу и измерить U1 на входных зажимах.  при I1=0 – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе.  при U2=0 – коэффициент усиления по току.  при I1=0 – выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе.

 Значения h – параметров транзистора зависят от схемы его включения (ОБ, ОЭ, ОК).

Порядок расчета h – параметров

  Рассмотрим порядок расчета h – параметров для схемы с общим эмиттером. Параметры h22 и h21 определяют по входным характеристикам в заданной или выбранной точке Р (рис.11б).

Для этого при неизменном токе базы Iб΄ задают приращение ΔUкэ=U˝кэ-U΄кэ, находят при этом приращении тока ΔIк и определяют выходную проводимость транзистора  при Iб=const. Обратная величина h22 дает выходное сопротивление rкэ.

 При постоянном напряжении U΄кэ=const задают приращение тока базы , определяют приращение тока ΔIк΄ и рассчитывают коэффициент передачи тока базы (коэффициент усиления по току β):

 при U΄кэ=const.

  Параметры h11 и h12 определяют по входным характеристикам (рис.11в). Для этого в той же рабочей точке Р (U΄кэ, I΄б) задают приращение ΔIб (симметрично по обе стороны от точки Р на кривой с отметкой U΄кэ=const), находят получившееся при этом приращение ΔUбэ и вычисляют входное сопротивление транзистора:

  при U΄кэ=const.

 Наконец, при постоянном токе базы Iб΄ задают приращение напряжения , определяют получающееся при этом приращение ΔU΄бэ и находят коэффициент обратной связи по напряжению:

 при Iб΄=const.

Униполярные (полевые) транзисторы

 Полевой транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый прибор, в канале которого, представляющем полупроводник лишь одного типа проводимости, ток создается внешним продольным приложенным напряжением, а управление сечением накала (а, значит, и проходящим по нему током) осуществляется за счет эффекта поля, создаваемого поперечным напряжением, приложенным к управляющему электроду – затвору.

Все полевые транзисторы делят на две группы: полевые транзисторы с управляющим p-n- переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором. В обеих группах полевых транзисторов электроды называют истоком И (соответствует эмиттеру Э биполярного транзистора), затвором З (соответствует базе Б) и стоком С (соответствует коллектору К).

 На рис.12а схематически изображен полевой транзистор с p-n- переходом и каналом n-типа.

 

 + - З Ic mA Uзи= 0

 15 Uзи= -1

  И р С 

 n n-p 10

 n-p ΔI΄c Uзи= -2 ΔUзи 

  p Rн 

 5 ΔUси ΔIc

 Ic Uзи= -3

 - + 5 10 Uси, В

  а) б)

 Ic

 Iси С

 15 З n-канальный

 10 И г)

  5 С

 р-канальный 

  Uотс -3 -2 -1 Uзи З И д) 

 в) 

 Рис.12

 Исток, сток и затвор (образованный параллельно соединенными р-областями) включаются в цепь с помощью омических выводов с n-и р-областями. Подача на затвор отрицательного напряжения относительно истока приводит к обеднению электронами участков канала примыкающих к затвору. Ширина p-n-перехода возрастает, а сечение канала уменьшается, что приводит к увеличению его сопротивления.

 Рассмотрим выходные характеристики полевого транзистора (рис.12б). При малых значениях напряжения между стоком и истоком Uси ток Iс пропорционален напряжению Uси и определяется исходным сечением канала. С увеличением его положительный потенциал, приложенный к стоку, являясь обратным для p-n- переходов, расширяет их в области, примыкающей к стоку, в результате чего канал принимает форму воронки у стокового конца с повышенным сопротивлением для тока Iс. В итоге наступает режим насыщения (рис.12б).

 При подаче на затвор отрицательного напряжения Uзи исходное сечение канала уменьшается, и режим насыщения наступает раньше. Поэтому выходные характеристики лежат ниже.

  Зависимость тока на выходе Iс от напряжения на входе называется проходной, передаточной или стокозатворной характеристикой (рис.12в). Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается (Iс = 0), называется напряжением отсечки Uотс. Так как Uзи является обратным для p-n-переходов, ток во входной цепи представляет обратный ток для p-n-перехода и ввиду его малости полевой транзистор можно считать прибором, управляемым напряжением. Это свойство определяет высокое входное сопротивление полевых транзисторов. При величинах напряжений Uзи больших Uотс передаточная характеристика описывается уравнением:

, где Iси – ток стока при Uзи = 0. На практике эта величина тока для полевого транзистора является предельной, так как положительных напряжений затвор – исток стараются избегать, чтобы не потерять преимуществ, обеспечиваемых очень малым током затвора.

  По передаточной характеристике транзистора может быть определен такой его параметр,  как крутизна:  при Uси = const.

 Дифференцированием выражения  можно определить крутизну .

Особый интерес представляет значение крутизны при Ic = Icи. Для полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом это максимальное значение крутизны. . Можно отметить, что при равных токах стока полевого и коллектора биполярного транзисторов крутизна полевого транзистора существенно ниже, чем у биполярного.

 По выходным характеристикам можно определить выходное или внутреннее сопротивление транзистора

 при Uзи = const.

  Наряду с рассмотренным транзистором с n-каналом имеются транзисторы с p-каналом. Принцип действия их аналогичен; различие заключается лишь в противоположной полярности источников питания и в соответствующих условных обозначениях (рис.12г,д). Полевые транзисторы с p-n-переходом применяют в основном для усиления сигналов.

На главную