Транзисторами называют полупроводниковые приборы, которые располагают не менее чем тремя выводами и в определённых обстоятельствах могут усиливать мощность, преобразовывать сигнал, или генерировать колебания. Различных видов транзисторов много – это полевые (униполярные) и биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором и однопереходные (двухбазовые) транзисторы, фототранзисторы и другие.
Усилительные каскады, выполненные на транзисторах, требуют небольшого напряжения питания величиной всего в несколько вольт, а КПД может достигать нескольких десятков процентов. Транзисторы по сравнению с электронными лампами обладают большей экономичностью, низким энергопотреблением, длительным временем наработки на отказ, малой массой и габаритами, высокой механической прочностью. К недостаткам транзисторов следует отнести невысокую радиационную стойкость, невозможность работы при температуре полупроводникового кристалла из кремния значительно выше 125 °C и прочее.
Транзисторы классифицируют по материалу полупроводника, подразделяя на германиевые, кремниевые, из арсенида галлия и прочие.
Биполярные транзисторы, у которых две из трёх областей имеют дырочный тип проводимости, называют транзисторами с прямой проводимостью, или структуры p-n-p. А биполярные транзисторы, у которых две из трёх областей имеют электронный тип проводимости, называют транзисторами с обратной проводимостью, или структуры n-p-n.
Рассматриваемые приборы, которые не способны усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, называют низкочастотными транзисторами. Приборы, которые могут усиливать сигнал с частотой более 3 МГц, но менее 30 МГц, называют среднечастотными транзисторами. А транзисторы, которые допускают усиление сигнала с частотой, превышающей 30 МГц, называют высокочастотными, а позволяющие работать на ещё большей частоте (выше 300 МГц) называют сверхвысокочастотными.
Если компоненты не могут обеспечить мощность рассеяния, превышающую 0,3 Вт, то такие транзисторы называют маломощными. Приборы, которые имеют рассеиваемую мощность более 0,3 Вт, но менее 3 Вт, называют транзисторами средней мощности. А транзисторы, мощность рассеяния которых превышает 3 Вт, называют мощными транзисторами.
Для изготовления дискретного биполярного транзистора необходим полупроводник электронного или дырочного типов проводимости, именуемый, как и вывод от него, базой, который, например, методом сплавления или диффузии легируют акцепторными примесями так, чтобы по обе стороны от базы были выполнены зоны с противоположными типами проводимостей. Это отражено на упрощённой конструкции сплавного биполярного транзистора, приведённой на рис. 4.1.
На рисунке цифрами обозначены: 1 – коллектор; 2 – база транзистора, например, образованная кристаллом германия или кремния; 3 – основание компонента; 4, 5 – вплавленные в кристалл примеси, например, индия или алюминия; 6 – кристаллодержатель; 7 – эмиттер. Кристалл полупроводника, образующий базу транзистора, в данном случае механически прикреплён и электрически соединён с металлической пластинкой, приваренной к стенке компонента. Толщина базы обычно не превышает нескольких микрон. На рисунке видно, что эмиттерная область имеет меньшую площадь, чем коллекторная. Между базой и коллектором лежит коллекторный переход, а между базой и эмиттером – эмиттерный переход. В области базы транзистора концентрация носителей заряда чрезвычайно низка, а, следовательно, её проводимость очень мала. В области коллектора концентрация и проводимость намного больше, чем в области базы, а в области эмиттера несколько выше, чем в области коллектора. Таким образом, концентрации носителей зарядов в областях транзисторов существенно отличаются.
Усиление или генерация колебаний транзисторами связана с инжекцией носителей зарядов обоих типов. Те компоненты, в которых перемещение носителей зарядов возникает по большей части за счёт диффузии, называют диффузионными транзисторами, а если за счёт дрейфа – то дрейфовыми транзисторами.
В диффузионных транзисторах неосновные носители заряда проходят область базы за счёт теплового движения. Чтобы диффузионный транзистор мог обладать высокой граничной частотой усиления, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, однако в результате этого её сопротивление будет велико. Если попробовать увеличить её проводимость благодаря легированию, то возрастёт ёмкость коллекторного перехода, что ухудшит частотные свойства транзистора.
В дрейфовых транзисторах создают такое неравномерное распределение примесей в области базы, чтобы концентрация примеси в зоне прилегания базы к эмиттеру была ориентировочно от 2-х до 4-х порядков выше, чем в зоне прилегания базы к коллектору. Благодаря этому неосновные носители заряда будут быстрее преодолевать базу под действием укоряющего поля коллекторного перехода, что позволяет дрейфовым транзисторам иметь более высокую граничную частоту усиления сигнала, чем диффузионным транзисторам. А сопротивление области базы мало даже при небольшой её толщине благодаря легированию места прилегания базы к эмиттеру. Некоторые дрейфовые транзисторы предназначены для усиления и генерации СВЧ сигналов и могут работать на частотах в несколько десятков гигагерц.
Изучим принцип усиления биполярного транзистора, для чего обратимся к рисунку 4.2, на котором изображено движение носителей заряда в транзисторе p-n-p структуры, включённом по схеме с общей базой. На нём протяжённости областей отражены без соблюдения масштаба и реальных размеров.
На рисунке знаком плюса, обведённого в кружок, показаны дырки, а знаком обведённого в кружок минуса – электроны. В связи с тем, что в работе компонента участвуют и электроны, и дырки, такой транзистор именуют биполярным. Выводы база-эмиттер транзистора будем считать входом каскада, а выводы база-коллектор – его выходом.
Благодаря включению двух источников питания переход база-коллектор закрыт, а переход база-эмиттер открыт. Из-за этого по переходу база-эмиттер будет течь эмиттерный ток, порождённый движением преимущественно электронов. Он течёт по цепи от положительного полюса источника питания база-эмиттер, по резистору R1, от области эмиттера транзистора к области базы, а затем к отрицательному полюсу этого же источника питания. Резистор R1 символизирует внутреннее сопротивление источника сигнала. Направление протекания тока символически стрелками отражено на рисунке. Эффективность инжекции характеризует коэффициент инжекции. В данном случае он равен отношению тока эмиттера, вызванного движением только основных носителей заряда, к полному току эмиттера, обусловленному миграцией и дырок, и электронов. Область базы обогащается инжектируемыми носителями заряда, которые в области эмиттера были основными, а в области базы стали неосновными. Поле коллекторного перехода является ускоряющим для попавших в область базы носителей зарядов, и это поле их втягивает в коллекторный переход. Происходит их рекомбинация с основными носителями заряда области базы. Однако она незначительна в связи с тем, что толщина области базы много меньше, чем двух других областей, и электроны почти беспрепятственно преодолевают область базы и оказываются в области коллектора, в которой они вновь станут основными носителями заряда. Успевшие рекомбинировать электроны вызывают протекание небольшого тока через вывод базы транзистора, который называют рекомбинационным. Рекомбинация некоторого количества носителей заряда в области базы происходит постоянно до тех пор, пока каскад не будет обесточен, так как электроны будут всё время поступать от положительного полюса источника питания база-эмиттер. Обогащение области коллектора носителями заряда, которые в ней будут основными, приводит к протеканию коллекторного тока транзистора. Он течёт по цепи от положительного полюса источника питания база-коллектор, по области базы, затем по области коллектора, по нагрузочному резистору R2, к отрицательному полюсу источника питания. Очевидно, что даже незначительное изменение напряжения база-эмиттер вызывает существенно большее изменение напряжения база-коллектор и, отдавая небольшую мощность управляющего сигнала, поданного на базу транзистора, можно управлять многократно большей мощностью нагрузки. Следовательно, рассматриваемый каскад может осуществить усиление сигнала по напряжению. Ток эмиттера транзистора при любом варианте включения последнего равен сумме токов коллектора и базы.
Амплитуду тока коллектора транзистора можно вычислить по формуле:
Iк = Iэ • h21б + Iкбо,
где Iэ – ток эмиттера, А;
h21б или α – дифференциальный коэффициент передачи тока, который поступает в коллектор из эмиттера. Он равен отношению изменения тока коллектора к изменению тока эмиттера при фиксированных значениях температуры, напряжения база-коллектор и прочего: h21б = ΔIк / ΔIэ.
Iкбо – обратный ток коллектора транзистора, А.
Кроме того, ток коллектора транзистора допустимо найти согласно выражению:
Iк = Iб • h21э + Iкэо,
где Iб – ток базы, А;
h21э или β – это дифференциальный коэффициент передачи тока базы, соответствующий включению транзистора по схеме с общем эмиттером. Коэффициент h21э равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока базы: h21э = ΔIк / ΔIб;
Iкэо – обратный ток коллектора при включении транзистора по схеме с общим эмиттером, А.
Коэффициенты h21э и h21б связаны друг с другом соотношением:
h21э = h21б / (1 – h21б).
Рассмотренный дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока h21б относят к одному из основных параметров транзистора. Коэффициент передачи тока эмиттера в описанном каскаде близок к единице и h21б обычно составляет от 0,94 до 0,999. Это означает, что усилительный каскад с транзистором, включённым по схеме с общей базой, не даёт усиления по току. Коэффициент усиления сигнала по мощности равен произведению коэффициентов усилений сигнала по току и по напряжению. Следовательно, данный каскад даёт чуть меньшее усиление по мощности, чем по напряжению.
Для усиления сигналов любые транзисторные каскады тратят энергии источников питания, к которым подключены, и при этом всегда теряют часть энергии, и мощности потерь вызывают тепловыделения в компонентах.
Между базой и эмиттером транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, подсоединяют источник сигнала, а к коллектору – нагрузку. К эмиттеру транзистора подключают полюсы одинаковых знаков источников питания. Входным током каскада выступает ток базы транзистора, а выходным током – ток коллектора. Это показано на рис. 4.3, на примере включения в электрическую цепь биполярного p-n-p транзистора.
На практике обходятся одним источником питания, а не двумя. Направление протекания тока по выводам транзистора дано на рисунке. Включение n-p-n транзистора совершенно аналогично включению p-n-p транзистора, однако в данном случае придётся поменять полярность обоих источников питания.
Коэффициент усиления каскада равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора. Входное сопротивление рассматриваемого каскада, равное отношению напряжения база-эмиттер к току базы, лежит в пределах от сотен до тысяч ом. Это меньше, чем у каскада с транзистором, подсоединённым по схеме с общим коллектором. Выходной сигнал каскада с общим эмиттером обладает фазовым сдвигом в 180° относительно входного сигнала. Флюктуации температуры оказывают значительное влияние на режим работы транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, и поэтому следует применять специальные цепи температурной стабилизации. В связи с тем, что сопротивление коллекторного перехода транзистора в рассмотренном каскаде выше, чем в каскаде с общей базой, то необходимо больше времени на рекомбинацию носителей заряда, а, следовательно, каскад с общим эмиттером обладает худшим частотным свойством.
К эмиттеру транзистора, включённого по схеме с общим коллектором, подсоединяют нагрузку, на базу подают входной сигнал. Входным током каскада является ток базы транзистора, а выходным током – ток эмиттера. Это отражено на рис. 4.5, на котором изображена схема включения биполярного p-n-p транзистора.
С нагрузочного резистора, включённого последовательно с выводом эмиттера, снимают выходной сигнал. Вход каскада обладает высоким сопротивлением, обычно от десятых долей мегаома до нескольких мегаом из-за того, что коллекторный переход транзистора заперт. А выходное сопротивление каскада – напротив, мало, что позволяет использовать такие каскады для согласования предшествующего каскада с нагрузкой. Каскад с транзистором, включённым по схеме с общим коллектором, не усиливает напряжение, но усиливает ток (обычно в 10 … 100 раз). Фаза входного напряжения сигнала, подаваемого на каскад, совпадает с фазой выходного напряжения, т.е. отсутствует его инверсия. Именно из-за сохранения фазы входного и выходного сигнала каскад с общим коллектором носит другое название – эмиттерного повторителя. Температурные и частотные свойства эмиттерного повторителя хуже, чем у каскада, в котором транзистор подключён по схеме с общей базой.
В каскаде, собранном по схеме с общей базой, напряжение входного сигнала подают между эмиттером и базой транзистора, а выходное напряжение снимают с выводов коллектор-база. Включение транзистора p-n-p структуры по схеме с общей базой приведено на рис. 4.6.
В данном случае эмиттерный переход компонента открыт и велика его проводимость. Входное сопротивление каскада невелико и обычно лежит в пределах от единиц до сотни ом, что относят к недостатку описываемого включения транзистора. Кроме того, для функционирования каскада с транзистором, включённым по схеме с общей базой, необходимо два отдельных источника питания, а коэффициент усиления каскада по току меньше единицы. Коэффициент усиления каскада по напряжению часто достигает от десятков до нескольких сотен раз.
К достоинствам нужно отнести возможность функционирования каскада на существенно более высокой частоте по сравнению с двумя другими вариантами включения транзистора, и слабое влияние на работу каскада флюктуаций температуры. Именно поэтому каскады с транзисторами, включёнными по схеме с общей базой, часто используют для усиления высокочастотных сигналов.
Фототранзистором называют транзистор, чувствительный к облучающему его световому потоку. Обычно дискретный фототранзистор по конструкции похож на дискретный транзистор, с тем отличием, что в герметичном корпусе фототранзистора есть окно, например, из стекла или прозрачной специальной пластмассы, через которое излучение попадает на область базы фототранзистора. Включение фототранзистора в электрическую цепь таково, что к эмиттеру подключают положительный полюс внешнего источника питания, к коллектору подсоединяют нагрузочный резистор, к которому в свою очередь подключают отрицательный полюс источника питания. При облучении области базы происходит генерация носителей зарядов. Наибольшая концентрация основных носителей заряда будет в базе, что приведёт к открытию фототранзистора, а неосновные носители заряда будут мигрировать в коллекторный переход. Следовательно, облучение фототранзистора приводит к увеличению тока его коллектора. Чем больше будет освещённость области базы, тем существенней станет ток коллектора фототранзистора. Таким образом, фототранзистором можно управлять и как обычным биполярным транзистором, варьируя током базы, и как светочувствительным прибором. К важным параметрам фототранзистора относят темновой ток, ток при освещении и интегральную чувствительность. Темновой ток – это ток коллектора при отсутствии облучения. Ток при освещении – ток коллектора при наличии облучения. Интегральная чувствительность – это отношение силы тока коллектора у подключённого фототранзистора к величине светового потока.
Фототранзисторы применяют в оптронах, устройствах автоматики и телеуправления, в приборах уличного освещения и пр.
Известно, что чем выше частота сигнала, поступающего на вход транзисторного каскада, тем меньше коэффициент усиления по току. Основной вклад в снижение усилительных свойств нужно отнести к барьерной ёмкости и отставанию переменных токов коллектора от эмиттера на время, необходимое для диффузии носителей заряда в области базы. Кроме того, ёмкости между корпусом и выводами транзистора пагубно влияют на усилительные свойства прибора.
Коллекторный переход транзистора обладает высоким сопротивлением. Повышение частоты приводит к снижению реактивной ёмкости коллекторного перехода, что приводит к его существенному шунтированию и ухудшению усилительных свойств каскада.
Носители заряда преодолевают область базы и рекомбинируют за небольшой конечный интервал времени, исчисляемый десятками наносекунд. Чем выше будет частота, тем существенней станет запаздывание носителей заряда. На постоянном токе сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера транзистора равен нулю, а полный ток базы минимален. На высокой частоте между переменными токами коллектора и эмиттера транзистора возникнет сдвиг фаз, которого не было на постоянном токе. При этом полный ток базы транзистора на высокой частоте много больше полного тока базы на низкой частоте и, тем более, на постоянном токе. Повышение тока базы для получения заданного фиксированного тока коллектора означает уменьшение коэффициента усиления транзистора по току.
Чтобы повысить граничную частоту усиления транзистора, необходимо выполнить область базы как можно меньшей толщины, повысить скорость прохождения через неё неосновных носителей зарядов, уменьшить ёмкость корпуса и выводов транзистора и прочее.
Чтобы германиевый транзистор не вышел из строя, температура его кристалла должна быть меньше примерно 70 °C, кремниевого транзистора – меньше 125 … 150 °C, а арсенид-галлиевого транзистора – меньше 150 … 200 °C. Введение легирующих добавок несколько корректирует максимально допустимую температуру кристалла, а некоторые специально сконструированные транзисторы выдерживают и более высокую температуру. Так, согласно справочным данным, кремниевый биполярный транзистор КТ921В был разработан для применения в геофизической аппаратуре при температуре корпуса компонента не более +200 °C. При существенно более высокой температуре транзистора он испортится из-за необратимой перестройки кристаллической решётки. Нагрев биполярных транзисторов вызывает увеличения проводимости области базы и обратного тока коллектора. При повышении температуры корпуса транзистора от 20 °C до 60 °C обратный ток коллектора обычно может возрасти до шести раз. Следовательно, флюктуации температуры оказывают очень существенное влияние на функционирование транзисторного каскада, вызывая значительные изменения режима его работы. Чтобы флюктуация температуры не привела, допустим, к возникновению автогенерации каскада, предназначенного для усиления, или другим вредным последствиям, необходимо применять цепи термостабилизации режимов работы транзисторов.
