d0a1d0bed0b4d0b5d180d0b6d0b0d0bdd0b8d0b5
advertisement
Содержание курса лекций 1. Основы полупроводниковой электроники. Контактные явления. 1.1. Полупроводниковые материалы. 1.1.1. Чистые полупроводники 1.1.2. Полупроводники n- и p - типа 1.2. Электронно - дырочный переход. 1.2.1. Электронно - дырочный переход без внешнего воздействия 1.2.2. Электронно - дырочный переход при внешнем воздействии 1.2.3. Пробой p-n-перехода 1.2.4. Емкость p-n-перехода 2. Полупроводниковые диоды. 2.1. Характеристики и параметры. 2.1.1. Общие сведения 2.1.2. Характеристики и параметры 2.2. Математические модели диода и их применение. 2.2.1. Идеальный диод 2.2.2. Кусочно - линейная модель диода 2.2.3. Полная схема замещения диода 2.2.4. Полиномиальная аппроксимация участка ВАХ диода 2.3. Виды и система обозначений современных полупроводниковых диодов. 2.3.1. Виды и обозначение диодов 2.3.2. Система обозначений современных полупроводниковых диодов 3. Биполярные транзисторы. 3.1. Устройство и основные процессы 3.1.1. Устройство биполярного транзистора 3.1.2. Режимы работы биполярного транзистора и основные физические процессы 3.2. Характеристики и параметры биполярного транзистора 3.2.1. Способы включения биполярного транзистора 3.2.2. Схема с общей базой 3.2.3. Схема с общим эмиттером 3.2.4. Схема с общим коллектором 3.2.5. Инверсное включение транзистора 3.3. Математические модели биполярного транзистора 3.3.1. Модели Эберса-Молла 3.3.2. Физическиие малосигнальные модели биполярных транзисторов 3.3.3. Малосигнальные модели биполярного транзистора в виде активного линейного четырехполюсника 3.4. Система обозначений транзисторов 4. Полевые тразисторы. 4.1. Общие определения 4.2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом 4.2.1. Принцип действия, обозначение 4.2.2. Вольтамперные характеристики 4.3. Полевой транзистор с изолированным затвором 4.3.1. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом 4.3.2. Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом 4.4. Параметры и модели полевых транзисторов 4.4.1. Параметры 4.4.2. Математические модели транзистора с общим истоком 4.5. Элементы памяти на основе принципа полевого транзистора 4.5.1. Ячейка памяти 4.5.2. Приборы с зарядовой связью (ПЗС) 1.1.1. Чистые полупроводники. Полупроводниковые материалы занимают промежуточное место по электропроводности между проводниками и изоляторами. Удельное сопротивление таких хороших проводников как серебро, медь, железо составляет 10-6…10-4 ом·см. Хорошие изоляторы: кварц, слюда, каучук, бумага — имеют удельное сопротивление от 1018 до 1010 ом·см. Промежуток удельных сопротивлений 106…10-3 ом·см занимают полупроводники. Для изготовления современных полупроводниковых приборов и особенно интегральных микросхем используются кристаллы чистых кремния и германия. Равномерная кристаллическая решетка в виде тетраэдров этих материалов, атомы которых имеют четыре валентных электрона на внешней оболочке, обеспечивают устойчивую структуру: соседние атомы кристалла попарно объединяются, так что каждый атом представляет собой устойчивую структуру с восемью электронами на внешней оболочке, в которую входят четыре соседних атома. На рис. 1.1. показана упрощенная плоская модель соединения атомов в кристалле чистого (беспримесного) кремния, где каждая линия между атомами обозначает ковалентную связь. Из-за неразличимости отдельных электронов любой валентный электрон оказывается принадлежащим в одинаковой степени всем атомам кристалла. Рис. 1.1 Такая структура при температуре абсолютного нуля представляет собой изолятор, так как свободных электронов, обуславливающих электропроводность, в ней нет. Однако, при увеличении температуры даже такие крепкие связи могут нарушиться, что приведет к появлению, с одной стороны, свободных электронов, а с другой – к так называемым «дыркам» - местам в решетке, которые покинули электроны. Свободный электрон может занять дырку (произойдет рекомбинация). Дырку может занять ближайший связанный электрон, в результате чего уже на его бывшем месте образуется новая дырка. Всякий переход электрона от одного атома к другому сопровождается одновременно встречным переходом дырки. Если электрон имеет отрицательный заряд, то дырке условно приписывается положительный заряд такой же величины, как заряд электрона. Дырка как бы перемещается (движется) по кристаллу, также как электрон. Процесс образования под влиянием температуры пары электрон-дырка называют термогенерацией. Таким образом, в чистом полупроводнике одновременно хаотично блуждают электроны и дырки, причем их число одинаково, а при увеличении температуры это число увеличивается. При определенной температуре существует термодинамическое равновесие между генерацией и рекомбинацией, в результате чего в полупроводнике устанавливается некоторая, вполне определенная концентрация свободных носителей заряда. Среднее время существования пары электрон-дырка называют временем жизни носителей заряда, а расстояние L , пройденное частицей за время ее жизни – диффузионной длиной. Число свободных носителей заряда (электронов ni и дырок pi) в чистом1 полупроводнике определяется соотношением (1.1) где - энергия активации, Т – абсолютная температура, k - постоянная Больцмана. При отсутствии внешнего электрического поля носители заряда движутся в полупроводнике хаотично. Это движение называют диффузией. Диффузионное движение зарядов обусловлено неравномерностью концентрации зарядов и тепловой энергией. Если теперь к кристаллу приложить внешнее напряжение, то может возникнуть небольшой ток, обусловленный дрейфом электронов и дырок, причем скорости дрейфа электрона и дырки разные, они зависят от их подвижности и напряженности электрического поля. В целом число свободных электронов и дырок незначительно. Например, в кристалле германия при комнатной температуре есть только 2 свободных электрона на 1010 атомов, но в 1 грамме германия имеется 1022 атомов. Таким образом, в одном грамме содержится 2·1012 свободных электронов, что и создает собственную проводимость чистого полупроводника. Однако для создания тока в один ампер потребуется 6·10 18 электронов в секунду! Поэтому ток чистого полупроводника очень мал. Термогенерация свободных носителей, их дрейф, диффузия и рекомбинация очень важны для понимания процессов, происходящих в полупроводниках, но они не исчерпывают всего многообразия происходящих в полупроводнике явлений. Многие вопросы количественного анализа работы полупроводников базируются на зонной теории твердого тела2. 1 2 Параметры чистого полупроводника обозначаются обычно с индексом i от intrinsic – истинный. Эти вопросы подробно рассматриваются в курсе «Физические основы микросхемотехники». 1.1.2. Полупроводники n — p типа Чистые i - полупроводники практически не используют. В них специально вводят атомы других элементов (примеси) трехвалентных (алюминий, галлий, индий, бор) или пятивалентных (мышьяк, фосфор, сурьма) элементов или их соединений. При этом на 107…108 атомов i - полупроводника вводят один атом примеси. Атомы пятивалентной примеси называются донорами: они увеличивают число свободных электронов. Каждый атом такой примеси добавляет один лишний электрон. При этом лишних дырок не образуется. Примесный атом в структуре полупроводника превращается в неподвижный положительно заряженный ион. Проводимость полупроводника теперь будет определяться в основном числом свободных электронов примеси. В целом такой тип проводимости называют проводимостью n–типа, а сам полупроводник – полупроводником n–типа. При введении трехвалентной примеси одна из валентных связей полупроводника оказывается незаполненной, что эквивалентно образованию дырки и неподвижного отрицательно заряженного иона примеси. Таким образом, в этом случае увеличивается концентрация дырок. Примеси такого типа называются акцепторами, а проводимость, обусловленная введением акцепторной примеси, называют проводимостью р–типа. Полупроводник данного вида называют полупроводником р–типа. Преобладающие носители заряда в полупроводнике называются основными. Так в полупроводнике n–типа основными носителями являются электроны, а неосновными – дырки, а в полупроводнике р– типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Как видим, в отличие от проводимости проводников, в которых ток обусловлен направленным движением только электронов, в полупроводниках ток может быть обусловлен двумя типами носителей – электронами и дырками. 1.2.1. Электронно - дырочный переход без внешнего воздействия В полупроводниковых приборах и микросхемах применяют кристаллы, в которых можно выделить области собственного полупроводника (i -типа), области с донорными (n-типа) и акцепторными ( р типа) примесями, границы между полупроводниками с разными типами проводимости и с различной концентрацией примеси, слои между полупроводником и металлом для организации внешних выводов или других функциональных назначений. Границу между двумя областями полупроводника с разными типами проводимости называют электронно-дырочным переходом или p-n - переходом. Переходы между двумя областями полупроводника одного и того же типа электропроводности, но с различными значениями удельной электрической проводимости называют изотипными переходами. Различают изотипные электронноэлектронный (n-n+) и дырочно-дырочный (р-р+) переходы, причем знак «+» отмечает область с более высокой концентрацей соответствующих носителей заряда, полученной за счет большей концентрации примесей. В зависимости от используемых в переходах материалов их разделяют на гомогенные и гетерогенные. Гомогенным переходом называют переход, созданный в одном полупроводниковом материале (только в германии, только в кремнии, только в арсениде галлия). Гетерогенный переход создается на границе различных полупроводниковых материалов: германий-кремний, кремнийарсенид галлия. В зависимости от характера изменений концентрации примесей на границе различают ступенчатый и плавный p-n -переходы; в ступенчатом переходе изменение концентрации имеет скачкообразный характер. Здесь концентрация примесей на границе изменяется на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной L. В плавном переходе такие изменения происходят на расстоянии, значительно превышающем L. Особую роль играют переходы металл-полупроводник (МП), являющиеся неотъемлемой частью каждого полупроводникового прибора. Различают невыпрямляющие (или омические) и выпрямляющие переходы МП. Выпрямляющие переходы имеют характеристики, зависящие от направления и величины приложенного к ним напряжения. Любой электрический переход не может быть создан путём простого соприкосновения двух полупроводниковых кристаллов. Для их изготовления используют специальные технологические приемы. В настоящее время наиболее распространены сплавные и диффузионные переходы. Для изготовления сплавного перехода на поверхности чистого полупроводника укрепляют небольшую «таблетку» примеси и помещают в печь, где происходит ее нагрев до температуры ниже точки плавления полупроводника, но выше точки плавления примеси. В результате происходит вплавление в кристалл примеси и формирование p-n-перехода. Для изготовления диффузионного p-n-перехода сначала полупроводниковую пластину с защитным окисным слоем предварительно обрабатывают, создавая «окна» заданной конфигурации на ее поверхности, а затем через них проводят диффузию примеси.1 При создании технологического контакта материалов с разными типами проводимости в области границы образуется небольшой слой, который и называется собственно p-n-переходом (рис.1.2) Рис. 1.2 В этой области противоположно заряженные неподвижные ионы примесей создают отталкивающее поле для основных носителей заряда, и последние уходят из зоны соприкосновения. При этом движение основных носителей осуществляется за счет диффузии и рекомбинации с неосновными носителями. Для неосновных носителей (дырок в полупроводнике n -типа и электронов в полупроводнике р-типа) поле зарядов является ускоряющим, и они дрейфуют к «соседям». В результате на границе образуется обедненный носителями обоих типов слой, он имеет большое удельное сопротивление. Двойной слой зарядов неподвижных ионов примесей в слое не компенсированы электронами и дырками, что создает внутреннее электрическое поле с напряженностью Е . Это поле препятствует переходу дырок из области р в область n и электронов из области n в область р . Но оно же создает дрейфовый поток, перемещающий дырки из области n в область р и электроны из области р в область n (дрейф неосновных носителей). Обедненный слой и есть p-n-переход. В установившемся режиме дрейфовый поток равен диффузионному. При одинаковой концентрации основных носителей заряда справа и слева от границы, p-n-переход симметричен. Если концентрации не одинаковы, то говорят о несимметричном p-n-переходе. В этом случае слой с большей концентрацией основных носителей (меньшим удельным сопротивлением или большей проводимостью) называют эмиттером, а с меньшей концентрацией – базой. В базе ширина обедненного слоя шире. Поле Е оценивается потенциальным барьером для основных носителей, который препятствует их диффузии в полупроводник другого типа. В электротехнике величину потенциала определяют как работу на перемещение единичного положительного заряда. При этом график распределения потенциалов вдоль перехода имеет вид, представленный на рис.1.3. Рис. 1.3 При отсутствии внешнего поля величина потенциального барьера (или контактная разность потенциалов) определяется соотношением (1.2) где е = 1,6·10-19 кул – заряд электрона, k = 1,38·10-23 - постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура, NА, NД – концентрация атомов акцепторов и доноров, nр, nn–концентрации дырок и электронов в р и n-областях, - температурный потенциал. Для комнатной температуры температурный потенциал составляет примерно 0,025 вольт. Ширину (или толщину) несимметричного резкого p - n -перехода можно вычислить по формуле (1.3) Она составляет обычно единицы микрометров. Как следует из формулы (1.3) для увеличения ширины p-n-перехода нужно использовать слабо легированные полупроводники, а для создания узкого перехода – сильно легированные. 1.2.2. Электронно - дырочный переход при внешнем воздействии При подключении к p-n-переходу внешнего напряжения плюсом к полупроводнику р-типа (прямое включение) потенциальный барьер для основных носителей уменьшается, через переход потечет ток, увеличивающийся с увеличением внешнего напряжения. При изменении полярности внешнего напряжения (обратное включение) потенциальный барьер увеличивается, весьма малый обратный ток определяется дрейфом только неосновных носителей. Зависимость тока через переход от приложенного к нему внешнего напряжения определяет так называемую вольтамперную характеристику перехода (ВАХ). Для идеального p-n-перехода имеет место следующая зависимость тока от напряжения (1.4) где Is - обратный ток насыщения неосновных носителей при обратном напряжении на переходе. При u >> 0,025 В величина , поэтому в этом случае можно считать , а при u << -0,025 В, , поэтому можно считать, что при больших обратных напряжениях обратный ток равен току насыщения. Рис. 1.4 На рис.1.4 пунктиром показана ВАХ идеального p - n -перехода в соответствии с выражением (1.4) для тока насыщения, равного 5 мкА, сплошные кривые соответствуют реальным переходам с кристаллом из германия ( Ge ) и кремния ( Si ). Для германия ток насыщения составляет примерно 10 мкА, а для кремния 10-15…10-13 А. В выражение (1.4) для малых токов кремниевого перехода в формулу (1.4) вводят коэффициент m =2…2,5: Обычно графики для прямых и обратных токов представляются в разных масштабах как для токов, так и для напряжений, поскольку прямые напряжения составляют доли вольта при токах несколько миллиампер , а обратные напряжения – десятки вольт при токе доли и единицы микроампер. В каждой точке нелинейной ВАХ можно найти производную, которая характеризует дифференциальные проводимость или сопротивление, сильно отличающиеся на прямой и обратной ветвях ВАХ. На вид и положение ВАХ в значительной степени влияет температура p - n -перехода . Считается, что ток насыщения IS изменяется примерно в два раза у германиевых переходов и в 2,5 раза у кремниевых на каждые 10 градусов изменения температуры, при этом изменение падения напряжения на переходе составляет –(2…2,5) mВ/оС. В интегральных схемах это изменение достигает величины -1,5 mВ/оС. Максимально допустимые температуры для германиевых переходов составляют 80…100оС, для кремниевых переходов – 150…200оС . 1.2.3. Пробой p-n-перехода Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений показана на рис. 1.5 Рис. 1.5 Началу пробоя соответствует точка А. После этой точки дифференциальное сопротивление перехода стремится к нулю. Различают три вида пробоя p-n-перехода: I. II. III. Туннельный пробой (А-Б), Лавинный пробой (Б-В), Тепловой пробой (за т.В). Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз. Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом. Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода. Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода. Напряжения и токи в p-n-переходах зависят от параметров перехода и его температуры. 1.2.4. Емкость p-n-перехода Общая емкость p-n-перехода измеряется между выводами кристалла при заданных постоянном напряжении (смещении) и частоте гармонического напряжения, прикладываемых к переходу. Она складывается из барьерной, диффузионной емкостей и емкости корпуса кристалла: С = Сбар + Сдиф + Скорп Барьерная (или зарядная) емкость обусловлена нескомпенсированным зарядом ионизированных атомов примеси, сосредоточенными по обе стороны от границы перехода. Эти объемные заряды неподвижны и не участвуют в процессе протекания тока. Они и создают электрическое поле перехода. При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда и сам заряд увеличиваются, причем это увеличение происходит непропорционально. Барьерная емкость определяется как , и равна , где Sпер – площадь перехода. Барьерная емкость составляет десятки - сотни пикофарад. Диффузионная емкость обусловлена изменением величины объемного заряда, вызванного изменением прямого напряжения и инжекцией неосновных носителей в рассматриваемый слой. В результате в n-базе возникает объемный заряд дырок, который практически мгновенно (за несколько наносекунд) компенсируется зарядом собственных подошедших к дыркам электронов. Диффузионную емкость часто выражают как линейную функцию тока, учитывая экспоненциальный характер ВАХ. При этом , где - время жизни носителей для толстой базы или среднее время пролета для тонкой базы. Рис. 1.6 Диффузионная емкость составляет сотни – тысячи пикофарад. При прямом напряжении на переходе общая емкость определяется в основном диффузионной емкостью, а при обратном напряжении – барьерной. Общий вид зависимости емкости перехода от напряжения на нем показан на рис. 1.6. Эту зависимость называют вольт – фарадной характеристикой перехода. 2. Полупроводниковые диоды: 2.1. Характеристики и параметры. 2.1.1. Общие сведения Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя невыпрямляющими контактами металл-полупроводник. В качестве полупроводникового материала используют германий, кремний, арсенид галлия. Условная структура (а) и общее обозначение (б) полупроводниковых диодов показаны на рис.2.1. Рис. 2.1 На рисунке показаны направления прямых тока и напряжения. Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. Низкоомную р –область называют эмиттером (или анодом по аналогии с электровакуумными диодами), высокоомную n –область – базой (или катодом). Прямое направление тока - от эмиттера к базе. Различие в концентрации основных носителей заряда сказывается и на расположении p-n -перехода на границе. Ширина p-n-перехода в эмиттере меньше, чем в базе, т.е. p-n-переход почти целиком располагается в базе. В зависимости от технологических процессов, использованных при изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, диоды с диффузионной базой, эпитаксиальные, мезадиоды и др. По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны, туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна, диоды Шоттки и др. 2.1.2. Характеристики и параметры Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) диода определяет зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения. ВАХ идеального p-n-перехода определяется соотношением (2.1): (2.1) Однако в реальных диодах ВАХ отличаются от (2.1), что объясняется тем, что, во-первых, для разных типов материалов полупроводникового кристалла обратный ток насыщения сильно зависит от температуры; во-вторых, при большом обратном напряжении, при котором измеряется ток насыщения, наблюдается термогенерация носителей непосредственно в области перехода; втретьих, в реальных диодах наблюдаются поверхностные утечки тока (дополнительные проводимости); в-четвертых, при анализе процессов в p-n -переходе не учитываются ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением rб, приводит к тому, что прямая ветвь диода идет ниже, чем у идеального p-n перехода. В реальных диодах необходимо оценивать все эти явления и учитывать, что обратный ток диода складывается из теплового тока, тока термогенерации и тока утечки. В германиевых диодах основную роль играет тепловой ток, который удваивается при увеличении температуры окружающей среды на каждые 7…10оС. Соизмерим с ним и ток утечки, но последний мало зависит от температуры, но зависит от величины обратного напряжения. В кремниевых диодах тепловой ток удваивается на каждые 8…12оС, но он на 6…7 порядков ниже, чем у германиевых диодов. Основными составляющими обратного тока кремниевого диода являются токи термогенерации и утечки, поэтому обратный ток кремниевых диодов отличается от обратного тока германиевых диодов всего на 1,5…2 порядка, и в обоих диодах он не остается постоянным при изменении обратного напряжения, а медленно возрастает при его увеличении. При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2…10 мА. Кроме того, прямая ветвь ВАХ отклоняется от идеальной из-за наличия токов рекомбинации в p-nпереходе, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей. С учетом падения напряжения на базе уравнение прямой ветви может быть представлено в виде (2.2) Обычно напряжение на реальном диоде на доли вольта больше, чем в идеальном. Для оценки ВАХ реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток Iобр, который измеряют при определенном значении обратного напряжения. В паспортных данных обычно для каждого вида диода указывается максимально допустимое значение обратного тока. Диоды характеризуются достаточно большим числом параметров. Общими практически для всех типов являются следующие: Iпр,макс – максимально допустимый постоянный прямой ток; Uпр – постоянное прямое напряжение, соответствующие заданному току; Uобр,макс – модуль максимально допустимого обратного напряжения; Iобр,макс – максимально допустимый постоянный обратный ток; rдиф – дифференциальное сопротивление диода в заданном режиме работы. 2.2.1. "Идеальный" диод Представление реального диода в виде «идеального диода» равносильно модели идеального вентиля: полностью открыт (прямое включение), полностью закрыт (обратное включение). В закрытом положении ток равен нулю при любом отрицательном напряжении на диоде, в открытом положении напряжение равно нулю при любом токе. Таким образом дифференциальные сопротивления в закрытом и открытом состоянии равны соответственно бесконечности и нулю. На рис.2.2. представлены ВАХ «идеального диода»(жирно) и его схемы замещения в открытом и закрытом состяниях. Рис. 2.2 Такое представление реального диода часто удобно использовать для анализа схем выпрямителей с большими значениями амплитуд выпрямляемых напряжений, когда нелинейностью начального участка прямой ветви ВАХ и наличием небольшого обратного тока можно пренебречь. Рассмотрим пример работы простейшей выпрямительной схемы с «идеальным диодом» при гармоническом входном напряжении и нулевом постоянном смещении (Рис.2.3). Величина сопротивления нагрузки R , с которого снимается выпрямленное напряжение, значительно больше дифференциального сопротивления в открытом состоянии реального диода, и меньше дифференциального сопротивления закрытого перехода. Рис. 2.3 Пусть , причем амплитуда Еm такова, что можно использовать модель «идеального диода». При положительных значениях входного напряжения диод обладает нулевым дифференциальным сопротивлением, и ток в цепи равен а при отрицательных значениях е(t) ток равен нулю. Осциллограммы тока и напряжений в схеме показаны на рис.2.4. Рис. 2.4 Поскольку напряжение на нагрузке R несинусоидально, его можно разложить в ряд Фурье по гармоникам частоты входного напряжения. Выпрямленным напряжением является постоянная составляющая напряжения uR (t) : Из рисунка 2.4 видно, что напряжение на нагрузке отнюдь не постоянно, а пульсирует относительно постоянного напряжения UR,0. При наличии дополнительного постоянного напряжения Есм (смещение) изменится уровень положительных и отрицательных напряжений на диоде, т.к. входное напряжение выпрямителя будет равно На рис.2.5 показаны осциллограммы тока и напряжений для отрицательного смещения. На рисунке положительные уровни сигналов отмечены штриховкой. Рис. 2.5 Как видим, обратное напряжение на диоде здесь увеличилось на величину смещения, а выпрямленное напряжение уменьшилось не только за счет уменьшения амплитуды тока, но и за счет уменьшения длительности импульсов тока. В данной схеме выпрямителя выходное напряжение не постоянно, а имеет форму усеченных косинусоидальных импульсов, что свидетельствует о наличии в спектре тока и напряжения гармоник частоты выпрямляемого напряжения. Для уменьшения амплитуды гармоник на нагрузке выпрямителя ставят специальные фильтры нижних частот. Простейшим вариантом такого фильтра является параллельная цепочка RC вместо одного сопротивления R (см.рис.2.6). Рис. 2.6 Величину емкости определяют исходя из заданного коэффициента подавления амплитуды первой гармоники, как наибольшей в спектре тока или из неравенства: При выполнении этого неравенства постоянная составляющая тока протекает через резистор R , а все переменные составляющие – через конденсатор С , так как его сопротивление переменным токам будет значительно меньше сопротивления резистора. Можно рассмотреть работу выпрямителя и во временной области. Осциллограммы токов и напряжений в установившемся режиме показаны на рис. 2.7, причем входное и выходное напряжения здесь совмещены на одном графике. Рис. 2.7 Напряжение на диоде определяется разностью входного и выходного напряжений: Напряжение же на выходе можно представить в виде процессов заряда и разряда конденсатора С . При положительных напряжениях на диоде сопротивление последнего равно нулю (или мало в реальном диоде в прямом режиме) конденсатор быстро (практически мгновенно) заряжается до напряжения, примерно равному е(t1); в следующие моменты времени напряжение на диоде становится отрицательным, диод закрывается, и емкость медленно разряжается через сопротивление R достаточно большой величины. При правильном выборе С и R постоянная времени разряда емкости значительно больше постоянной времени заряда, так что при разряде напряжение на выходе почти не меняется. В установившемся режиме выходное напряжение колеблется около некоторого среднего значения Uвых,0 , близком по величине к амплитуде входного напряжения. Пульсации выпрямленного напряжения здесь значительно меньшие, чем в схеме без конденсатора. 2.2.2. Кусочно-линейная модель диода Данная модель основана на конечных значениях дифференциальных сопротивлений прямой и обратной ветвей ВАХ диода. На рис.2.8. показано графическое определение параметров кусочно- линейной модели для заданных точек (А1,А2) прямой и обратной ветвей. Рис. 2.8 На прямой ветви через т.А1 проводим касательную к ВАХ до пересечения с осью напряжений. Точка пересечения определяет напряжение U0. дифференциальное сопротивление диода в точке А1 определяется как Для обратной ветви через заданную точку А2 проводят касательную к ветви до пересечения с осью обратных токов. Точка пересечения дает значение обратного тока I0, дифференциальное сопротивление обратной ветви, определенное в точке А2, равно Эквивалентные схемы такой модели для прямой и обратной ветви ВАХ показаны на рис. 2.9 а, б соответственно. Рис. 2.9 При этом для прямой ветви , а для обратной Применение модели для простейшей схемы диода с резистором в прямом режиме показано на рис.2.10 Рис. 2.10 По второму закону Кирхгофа имеем откуда Аналогичные выкладки можно провести и для обратной ветви ВАХ. 2.2.3. Полная схема замещения диода Для оценки частотных свойств диода следуeт учитывать общую емкость диода СД, являющуюся суммой барьерной и диффузионной емкостей, а также сопротивления контактов. На рис. 2.11 приведена такая модель. Рис. 2.11 Здесь RД – нелинейное сопротивление перехода, Сбар – и Сдиф - нелинейные барьерная и диффузионная емкости перехода, R – сопротивления контактов. Наличие сопротивлений контактов сказывается на виде ВАХ в области прямых напряжений: характеристика располагается ниже прямой ветви ВАХ идеального p-n-перехода. 2.2.4. Полиномиальная аппроксимация участка ВАХ диода Следует отметить, что полупроводниковая технология в отличие от электровакуумной позволяет разрабатывать большое количество типов диодов с различными ВАХ. В ряде случаев для описания ВАХ приходится использовать полиномиальную аппроксимацию рабочих участков ВАХ. Так для диодов, работающих в схемах преобразования сигналов, таких как умножение частоты, модуляция, перемножение сигналов и др., необходим квадратичный участок ВАХ, а в схемах автогенераторов с использованием диодов с отрицательным дифференциальным сопротивлением – кубичный. В общем виде полином, описывающий участок ВАХ, записывают для небольших приращений относительно заданной точки на ВАХ, определяемой постоянным напряжением (смещением) на переходе: На рис. 2.12 показаны примеры ВАХ, где жирно выделены квадратичный (а) и кубичный участки (б) в окрестности т. А. Рис. 2.12 Использовать аппроксимационный полином можно и для больших диапазонов изменения напряжений и токов, при этом степень полинома для аппроксимации ВАХ естественно будет больше. 2.3.1. Виды и обозначение диодов В зависимости от свойств и поведения ВАХ различают следующие виды диодов. 1) Выпрямительные диоды различных классов, отличающиеся напряжением, временем переключения, рабочей полосой частот. ВАХ как у обычного p-n-перехода. Обозначение стандартное (см. таблицу 2.1). В качестве выпрямительных используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Для выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме. Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80оС, кремниевые до 120-150оС, арсенид-галлиевые до 150оС. Основные параметры выпрямительных диодов: Uобр,макс –максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без нарушения его работоспособности; Iвып,ср - средний выпрямленный ток; Iпр,п – пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и формы импульса; Uпр,ср – среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока; Pср – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях; rдиф – дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме. Особо отметим класс импульсных диодов, имеющих очень малую длительность переходных процессов из-за малых емкостей переходов (доли пикофарад); уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них меньше, чем у низкочастотных выпрямительных диодов. Их используют в импульсных схемах. К параметрам, перечисленным выше, для импульсных диодов следует отнести общую емкость СД, максимальные импульсные прямые и обратные напряжения и токи, время установления прямого напряжения от момента подачи импульса прямого тока до достижения им заданного значения прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления диода с момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигает заданного малого значения (см. рис. 2.13). Рис. 2.13 После изменения полярности напряжения в течение времени t1 обратный ток меняется мало, он ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей, накопленных в базе диода, рассасывается. Далее ток уменьшается до своего статического значения при полном рассасывании заряда в базе. 2) Стабилитроны – диоды, предназначенные для работы в режиме электрического пробоя. Условное обозначение отличается от стандартного (см. таблицу 2.1). В этом режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение на нем меняется мало. В низковольтных (до 5,7В) стабилитронах используется туннельный пробой, а в высоковольтных – лавинный пробой. В них более высокоомная база. Основные параметры: Uст – напряжение стабилизации при заданном токе в режиме пробоя; Iст,мин и Iст,макс – минимально допустимый и максимально допустимый токи стабилизации; rст – дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке пробоя; - температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации при заданном токе стабилизации. Туннельный пробой характеризуется отрицательным ТКН, а лавинный положительным. Для стабилизации малых напряжений (0,3…1,9В) используют диоды, называемые стабисторами, которые работают в прямом режиме, имеют специальную форму прямой ветви. Обозначение такое же, как у выпрямительных диодов. 3) Диод Шотки – разновидность выпрямительных диодов, работающий на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник, образующего контактную разность потенциалов из-за перехода части электронов из полупроводника n -типа в металл и уменьшения концентрации электронов в полупроводниковой части контакта. Эта область обладает повышенным сопротивлением. При подключении внешнего источника плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, потенциальный барьер понизится и через переход пойдет прямой ток. В диоде Шотки отсутствуют явления накопления и рассасывания основных носителей, поэтому они очень быстродействующие и могут работать на частотах до десятков ГГц. Прямое напряжение составляет ~0,5 В, прямой допустимый ток может достигать сотни ампер, а обратное напряжение – сотен вольт. ВАХ диода Шотки напоминает характеристику обычных p-n-переходов, отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи достаточно малы – 10-10…10-9 А. Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины из низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла. Диоды Шотки применяют в переключательных схемах, а также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах, из-за соответствующей вида его ВАХ. 4) Варикап – полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве емкости, величина которой зависит от приложенного к нему напряжения. Основная его характеристика – вольтфарадная С( U ) (см.таблицу 2.1). Варикап работает как правило при обратном напряжении, при изменении которого изменяется в широких пределах барьерная емкость диода, причем где С(0) – емкость при нулевом напряжении на диоде; и n =3 для плавных p-n-переходов. - контактный потенциал; n =2 для резких Основные параметры варикапа: С – емкость, измеренная между выводами при заданном обратном напряжении; - коэффициент перекрытия по емкости; rП – суммарное активное сопротивление диода; - добротность, определяемая при заданном значении емкости. 5) Туннельный диод – полупроводниковый диод с падающим участком на прямой ветви ВАХ, обусловленный туннельным эффектом. Обозначение и ВАХ даны в таблице 2.1. Падающий участок характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяются на усилительные, генераторные и переключательные. Основные параметры: IП и UП – пиковые ток и напряжение начала падающего участка; IВ и UВ – ток и напряжение впадины (конца падающего участка); - отношение тока впадины к пиковому току; UР – диапазон напряжений падающего участка ( раствор). LД – полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях (см. рис.2.14, представляющий схему замещения диода на падающем участке ВАХ для малых изменений тока и напряжения на диоде). Рис. 2.14 f0 – резонансная частота, при которой общее реактивное сопротивление p-n-перехода и индуктивности корпуса обращается в нуль; fR - предельная резистивная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p-n-перехода и сопротивлений потерь, обращается в нуль; КШ – шумовая постоянная туннельного диода, определяющая коэффициент шума диода; rП – сопротивление потерь, включающее сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов. Разновидностью туннельного диода является обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде. Его рассматривают иногда как вариант туннельного диода. Здесь участок с отрицательным сопротивлением выражен более слабо, чем у туннельного, а иногда даже отсутствует. Обозначение и ВАХ даны в таблице. Обратная ветвь обращенного диода используется как прямая ветвь обычного диода. Таблица 2.1 Тип диода Условное обозначение Характеристика Выпрямительный Диод Шотки Стабилитрон Стабистор Варикап Туннельный диод Обращенный диод 2.3.2. Система обозначений современных полупроводниковых диодов Принятая система обозначений полупроводниковых приборов отражает назначение, физические свойства, материал полупроводника, конструктивно-технологические признаки и др. В основе обозначений лежит буквенно-цифровой код, состоящий из пяти позиций. Ниже в таблице 2.2 представлены обозначения всех пяти позиций. Таблица 2.2 Позиция Обозначение Буква или цифра исходного полупроводникового материала: 1 Г или 1 – германий или его соединения; К или 2 – кремний или его соединения; А или 3 – соединения галлия; И или 4 – соединения индия Буква - подкласс приборов: Д – диоды выпрямительные и импульсные; Ц – выпрямительные столбы и блоки; В – варикапы; 2 И – туннельные диоды; А – сверхвысокочастотные диоды; С – стабилитроны; Г – генераторы шума; Л – излучающие оптоэлектронные приборы; О – оптопары. Цифра – функциональные возможности. Подкласс Д: 3 1 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А; 2 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока не свыше 10 А; 3 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления более 500 нс; 4 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 150…500 нс; 5 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 30…150 нс; 6 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 5…30 нс; 7 - импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления в пределах 1…5 нс; 8 – импульсные диоды с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда менее 1 нс. Подкласс Ц: 1 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А; 2 - столбы с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А; 3 - блоки с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А; 4 - блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10А. Подкласс В: 1 – подстроечные варикапы; 2 – умножительные варикапы. Подкласс И: 1 – усилительные туннельные диоды; 2 – генераторные туннельные диоды; 3 – переключательные туннельные диоды; 4 – обращенные диоды. Подкласс А: 1 – смесительные диоды; 2- детекторные диоды; 3 – усилительные диоды; 4 – параметрические диоды; 5 – переключательные и ограничительные диоды; 6 – умножительные и настроечные диоды; 7 – генераторные диоды; 8- импульсные диоды. Подкласс С: 1 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В; 2- стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10…100 В; 3 - стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации более100 В; 4 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В; 5 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В; 6 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В; 7 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В; 8 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В; 9 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В. Подкласс Г: 1 – низкочастотные генераторы шума; 2 – высокочастотные генераторы шума. Число – порядковый номер разработки. 4 Обычно используются двузначные числа от 01 до 99; если порядковый номер превышает число 99, то применяют трехзначное число от 101 до 999. 5 Буква – классификация по параметрам (квалификационная литера). Применяют буквы русского алфавита, кроме букв З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Э. Цифры: 1…9 – для обозначения модификаций прибора, приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров; Дополнительные символы Буква С – для обозначения сборок – наборов в общем корпусе однотипных приборов, не соединенных электрически или соединенных одноименными выводами; Цифры, написанные через дефис – для обозначения следующих модификаций конструктивного исполнения бескорпусных приборов: -1 – с гибкими выводами без кристаллодержателя; -2 –с гибкими выводами на кристаллодержателе; -3 – с жесткими выводами без кристаллодержателя; -4 – с жесткими выводами на кристаллодержателе; -5 – с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов; -6 – с контактными площадками на кристаллодержателе без выводов. Пример: ЗИ309Ж – арсенид-галлиевый переключательный туннельный диод, номер разработки 09, группа Ж. Для обозначений диодов, выпущенных до 1982 года, использовалась двухэлементная система: первый элемент для диодов буква Д , второй – число (или номер): 1…100 – точечные германиевые диоды, 101…200 – точечные кремниевые диоды, 201…300 – плоскостные кремниевые диоды, 301…400 – плоскостные германиевые диоды, 401…500 – смесительные СВЧ детекторы, 501…600 – умножительные диоды, 601…700 – видеодетекторы, 701…749 – параметрические германиевые диоды, 750…800 – параметрические кремниевые диоды. 3. Биполярные транзисторы: 3.1. Устройство и основные процесссы. 3.1.1. Устройство биполярного транзистора Биполярным транзистором называется электронный прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя или более выводами. P-n-переходы образуются тремя близко расположенными областями с чередующимися типами электропроводности: p-n-p или n-p-n . Такие транзисторы называют биполярными, так как их работа основана на использовании в качестве носителей заряда как электронов, так и дырок. Примерный вид структуры и обозначения на схемах биполярных транзисторов представлены на рис.3.1,а. Жирной чертой показаны невыпрямляющие контакты выводов; на рис.3.1,б даны обозначения n-p-n транзистора и p-n-p транзистора. Рис. 3.1 Большинство биполярных транзисторов изготавливается на основе кремния. Чаще используется структура n-p-n , так как в этом случае основными носителями являются электроны, а они более подвижны чем дырки. Ниже будут рассматриваться в основном биполярные транзисторы типа n-p-n, однако выводы в основном справедливы и для биполярных транзисторов типа p-n-р , с той лишь разницей, что прямое и обратное напряжение у них имеют противоположный знак по сравнению с np-n . Несмотря на кажущуюся симметрию структуры биполярного транзистора по отношению к базе, p - n -переходы его несимметричны. Область эмиттера имеет более высокую концентрацию основных носителей по сравнению с коллектором. Часто область эмиттера обозначают с плюсом: n+ - эмиттер, n – коллектор, подчеркивая тем самым более высокую концентрацию электронов в эмиттере. Эмиттер выполняет роль поставщика основных носителей заряда к коллектору. Из-за большой концентрации электронов эмиттер имеет высокую проводимость (или малое объемное сопротивление). База является более высокоомной областью по сравнению с эмиттером. Основных носителей в ней – дырок – здесь мало. Однако дырки являются неосновными носителями в областях эмиттера и коллектора. К эмиттерно-базовому переходу обычно прикладывается относительно небольшое прямое напряжение. Поэтому мощность, рассеиваемая в области эмиттера, сравнительно невелика, коллекторный переход находится обычно под достаточно большим обратным напряжением, что приводит к большой мощности, рассеиваемой в нем. Поэтому этот коллекторный переход имеет гораздо большую площадь по сравнению с эмиттером. По конструкции и технологии изготовления различают биполярные транзисторы сплавные, эпитаксиально-диффузионные, планарные. Рабочей областью транзистора является так называемая активная область кристалла, расположенная непосредственно под эмиттерным переходом. Необходимое взаимодействие между переходами обеспечивается малой толщиной базы, которая у современных транзисторов меньше диффузионной длины L и не превышает нескольких микрометров. При этом ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. База транзистора может быть легирована неравномерно и равномерно по своему объему. В базе с неравномерным распределением атомов примеси (неоднородная база) образуется внутреннее электрическое поле, приводящее к дрейфу носителей заряда и ускорению движения носителей через базу. В однородной базе движение носителей связано только с диффузией. Поэтому первый тип транзисторов называют дрейфовыми, а второй – бездрейфовыми. Дрейфовые транзисторы более быстродействующие. 3.1.2. Режим работы биполярного транзистора и основные физические процессы В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на p-n-переходах транзистора различают следующие режимы его работы: а) активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное; б) режим отсечки – на оба перехода поданы обратные напряжения (транзистор заперт); в) режим насыщения – на оба перехода поданы прямые напряжения (транзистор полностью открыт); г) инверсный активный режим – напряжение на эмиттерном переходе обратное, на коллекторном – прямое. Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора в качестве электронного ключа; активный режим используют при работе транзистора в усилителях. Инверсное включение используется редко, например, в схемах двунаправленных переключателей, при этом транзисторы должны иметь симметричные свойства в обоих направлениях. В режиме отсечки оба перехода заперты, через них проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению переходов. В первом приближении можно считать, что все токи равны нулю, а между выводами транзистора имеет место разрыв (см.рис.3.2,а). Рис. 3.2 В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток. В первом приближении можно считать все выводы закороченными. Говорят, что транзистор «стягивается в точку» (рис.3.2,б). Более сложная картина токов в транзисторе наблюдается при разных полярностях напряжений на переходах, т.е. в активном режиме. Рис. 3.3 иллюстрирует принцип работы транзистора в активном режиме. Здесь показаны области p - n -переходов и потоки электронов и дырок в результате взаимодействия переходов в активном режиме. Рис. 3.3 Через смещенный в прямом направлении эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток, обусловленный движением основных носителей заряда (в данном случае – электронов). Электроны пролетают через p-n-переход и инжектируются (впрыскиваются) в область базы; при этом дырки из области базы проходят через переход в эмиттер (для них p-n-переход также смещен в прямом направлении). Но поскольку эмиттер имеет большую концентрацию примесей, то поток электронов из эмиттера в базу намного сильнее потока дырок из базы в эмиттер. Именно электронный поток и является главным действующим лицом в транзисторе типа n -p-n (аналогично дырки – в транзисторе типа p-n-р). Из-за диффузии и дрейфа (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся в сторону коллекторного перехода, стремясь равномерно распределиться в толще базы. Так как база имеет очень малую толщину и малое число дырок, большинство разогнавшихся еще в эмиттере электронов не успевает рекомбинировать в базе, они достигают коллекторного p-n-перехода, где для них, как для неосновных носителей в области базы, обратное напряжение перехода не является барьером, и уже в коллекторе электроны попадают под притягивающее действие приложенного внешнего напряжения, образуя во внешней цепи коллекторный ток IК . В результате рекомбинации части электронов с дырками базы образуется ток базы IБ, направленный в противоположную от коллектора сторону, и коллекторный ток оказывается несколько меньше эмиттерного. Через коллектор также течет обратный ток неосновных носителей – дырок, вызванный обратным смещением коллекторного перехода. 3.2.1. Способы включения бипролярного транзистора Биполярный транзистор, как управляемый прибор с тремя выводами, может быть описан двумя семействами вольтамперных характеристик (ВАХ): семейством входных ВАХ и семейством выходных ВАХ. Вид их определяется способом включения в схему транзистора, а именно: какой из трех выводов является общим с источниками питания и нагрузки. Входными ВАХ транзистора являются зависимости входного тока транзистора от входного напряжения при заданном постоянном напряжении на выходе: выходными ВАХ являются зависимости выходного тока от выходного напряжения при заданном постоянном входном токе (или, реже, напряжении): . Возможны три схемы включения (по числу выводов) биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рис.3.4. представлены эти схемы включения транзистора вместе с полярностью источников питания, причем указанная полярность обеспечивает активный режим. Напряжения обычно отсчитываются относительно общего вывода транзистора. Рис. 3.4. В справочниках обычно даются семейства ВАХ транзисторов, включенных по схеме ОБ или ОЭ. Однако основные необходимые параметры транзистора можно рассчитать для остальных схем включения, зная их для какой-либо одной. Отметим, что включение транзистора, например, отличным от ОБ способом, не отражает никаких новых физических эффектов в транзисторе. Кроме того, при расчетах схем с транзисторами на компьютерах с помощью моделирующих программ чаще всего вообще никак не учитывается способ включения. Программы используют математические модели транзистора, являющиеся едиными для всех схем включения. Однако, анализ характеристик и параметров различных схем включения часто облегчает понимание принципа работы схемы и получение некоторых предварительных результатов. 3.2.2. Схема с общей базой Как видно из рис.3.4,а для схемы ОБ входным током является ток базы iБ , входным напряжением – напряжение uЭБ , выходным током – ток коллектора iК , а выходное напряжение uКБ .Поскольку напряжение uЭБ отрицательно, то для удобства построения графиков ВАХ его заменяют положительным напряжением uБЭ . На рис. 3.5 показан примерный вид входных ВАХ транзистора с ОБ. Рис. 3.5 Входные характеристики здесь в значительной степени определяются характеристикой открытого эмиттерного p - n -перехода, поэтому они аналогичны ВАХ диода, смещенного в прямом направлении. Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uКБ обусловлен так называемым эффектом Эрли (эффектом модуляции толщины базы), заключающимся в том, что при увеличении обратного напряжения uКБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения uБЭ при неизменном входном токе. Модуляция толщины базы проявляется в большей степени при малых выходных напряжениях, и меньше при больших Иногда это явление уже заканчивается при uКБ > 2 В, и входные ВАХ при больших напряжениях сливаются в один график. Так же, как у диода, входные ВАХ при заданных постоянных напряжениях позволяют определить статические и дифференциальные (динамические) сопротивления : , . Выходными ВАХ для схемы с ОБ являются зависимости выходного коллекторного тока от напряжения коллектор-база при постоянных токах эмиттера примерные графики выходных ВАХ. . На рис. 3.6 показаны Рис. 3.6 Из рисунка видно, что ток коллектора становится равным нулю только при uКБ < 0, то есть только тогда, когда коллекторный переход смещен в прямом направлении. При этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу. Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор электронов эмиттера. Данный режим называют режимом насыщения. Линии в области uКБ < 0, называются линиями насыщения. Ток коллектора становится равным нулю при uКБ < -0,75 В. При uКБ >0 и токе эмиттера, равном нулю, транзистор находится в режиме отсечки, который характеризуется очень малым выходным током, равным обратному току коллектора IК0 , то есть график ВАХ, соответствующий iЭ = 0, практически сливается с осью напряжений. При увеличении эмиттерного тока и положительных выходных напряжениях транзистор переходит в активный режим работы. Ток коллектора связан с током эмиттера соотношением , где - статический коэффициент передачи тока эмиттера; он равен отношению тока коллектора к току эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе относительно базы; IК0 – обратный ток коллектора. Отношение малых приращений этих же токов определяет дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока . Наклон выходных характеристик численно определяет дифференциальное сопротивление коллекторного перехода: Природа обратного тока коллектора такая же, как и у обратного тока диода, включенного в обратном направлении. Он протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю. Учитывая малость величины обратного тока по сравнению с коллекторным током в активном режиме, можно считать, что ток коллектора в активном режиме прямо пропорционален току эмиттера: . При значительных эмитерных токах и напряжениях на коллекторном переходе линии ВАХ начинают изгибаться вверх из-за намечающегося пробоя коллекторного перехода. Так как обратный ток коллектора возрастает при увеличении температуры , то и графики выходных ВАХ при увеличении температуры смещаются вверх. В активном режиме выходное напряжение uКБ и мощность , выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть большими. Чтобы транзистор не перегрелся, необходимо выполнение неравенства , где PK, max - максимально допустимая мощность для данного типа транзистора. Чтобы правильно выбрать параметры схемы, где будет работать транзистор, на выходных ВАХ строят так называемую линию допустимой мощности, определяемую заданной максимально допустимой мощностью. Уравнение этой линии . На рис. 3.6 эта линия показана пунктиром. Мгновенные значения выходных тока и напряжения не должны выходить за пределы линии максимально допустимой мощности. Область допустимой работы ограничивается также значениями максимально допустимых выходного тока и выходного напряжения IК, max и UKБ, max . Транзистор, включенный по схеме с общей базой, используется в усилителях напряжения и мощности, так как несмотря на то, что выходной ток почти равен входному, выходное напряжение значительно больше входного. Из-за достаточно большого выходного сопротивления транзистор с ОБ используют в источниках стабильного тока. 3.2.3. Схема с общим эмиттером В схеме с общим эмиттером (рис.3.4,б) общим электродом является эмиттер. Входным током является ток базы iБ , входным напряжением – напряжение uБЭ , выходным током – ток коллектора iК , выходным напряжением – напряжение uКЭ . Входные ВАХ определяются при постоянном выходном напряжении: , выходные ВАХ при постоянном входном базовом токе: . Пример входных и выходных ВАХ для транзистора ОЭ приведен на рис.3.7. Рис. 3.7 Они естественно отличаются от входных и выходных ВАХ транзистора ОБ. На входных ВАХ это отличие проявляется в том, что при увеличении выходного напряжения из-за эффекта модуляции базы характеристики сдвигаются вправо. Выходные ВАХ расположены в одном квадранте, в активном режиме идут с бóльшим наклоном, что означает меньшую величину дифференциального выходного сопротивления транзистора ОЭ по сравнению с ОБ. Учитывая, что и , имеем . Величина называется статическим коэффициентом передачи базового тока. Для малых изменений переменных вводится динамический коэффициент передачи базового тока . Так как несколько меньше 1 (0.9…0,995), то величина коэффициента базового тока больше 1 (9…200). значительно В транзисторе ОЭ выполняются в соотношения: где rK*- выходное дифференциальное сопротивление, - обратный ток транзистора ОЭ. Область отсечки (ток базы равен нулю) характеризуется током . Область насыщения ограничивается линией насыщения при небольших значениях выходного напряжения. Для нормальной работы транзистора должны выполняться условия: , где правые части характеризуют максимально допустимые значения соответствующих переменных. Схема включения ОЭ применяется наиболее часто, так как здесь имеет место усиление как по току, так и по напряжению. Поэтому в справочниках обычно задаются параметры именно для этого типа включения транзистора. 3.2.4. Схема с общим коллектором Для схемы включения транзистора с ОК обычно справочные данные, в том числе по ВАХ, не приводятся. Входными переменными являются базовый ток iБ и напряжение uБК , выходные – ток эмиттера и напряжение эмиттер - коллектор. Входные ВАХ по форме мало отличаются от входных ВАХ схемы ОЭ, но диапазон изменения входного напряжения здесь практически такой же, как диапазон изменения выходного напряжения (см.рис.3.8,а, где пунктиром показана входная ВАХ транзистора с ОЭ). Поскольку выходное напряжение здесь отличается от выходного напряжения транзистора ОЭ на относительно малую величину uБЭ , то и выходные ВАХ мало отличаются от ВАХ транзистора ОЭ, лишь для того же входного тока выходной ток несколько выше, поскольку iЭ = iК + iБ и iБ << iК (см.рис.3.8,б). Рис. 3.8 Коэффициент передачи тока в этой схеме включения транзистора равен Выходное напряжение чуть меньше выходного, так как . Поэтому схемы с использованием транзистора с ОК называют повторителями напряжения или эмиттерными повторителями, поскольку нагрузка обычно подключаются к эмиттеру. Для анализа схем с ОК достаточно иметь ВАХ или параметры транзисторов с ОБ или ОЭ. 3.2.5. Инверсное включение транзистора Режим работы транзистора, при котором коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном, называется инверсным. В этом случае коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер – коллектора. Рис. 3.9 Для такого включения транзистора характерно . На рис. 3.9 показан примерный вид выходных ВАХ транзистора с ОЭ в прямом (первый квадрант) и обратном включениях (третий квадрант), откуда видно, что при инверсном включении обычный транзистор имеет меньший коэффициент передачи тока базы как в статическом, так и в динамическом режимах. 3. Биполярные транзисторы: 3.3. Математические модели биполярного транзистора 3.3.1. Модель Эберса - Молла Для анализа работы транзистора в схемах Дж.Д.Эберс и Дж.Л.Молл в 1954 г . предложили простые и удобные модели транзистора, различные варианты которой широко используются на практике. В эти модели входят управляемые источники тока, управляемые токами, учитывающие связь между взаимодействующими p - n -переходами в биполярном транзисторе. Эти модели справедливы для всех режимов работы транзистора. Простейшим вариантом низкочастотной модели Эберса-Молла является модель с идеальными p - n переходами и двумя источниками тока. На рис. 3.11 представлена такая модель. Рис. 3.11 Здесь - коэффициент передачи коллекторного тока в инверсном режиме; через переходы, они определяются соотношениями: - токи, текущие , - обратные тепловые токи коллектора и эмиттера соответственно. В некоторых источниках и справочниках используются обозначения для обратных тепловых токов в виде IЭБК и IКБК , причем эти тепловые токи измеряются при короткозамкнутых коллекторе для IЭБК и эмиттере для IКБК . Кроме того, в аналитических соотношениях иногда используются обозначения IЭ0 и IК0 , равные , отражающие обратные токи эмиттера и коллектора при обрыве коллектора или эмиттера соответственно. В соответствии с первым законом Кирхгофа для токов эмиттера и коллектора схемы рис.3.11 имеем (*) Другая модель Эберса-Молла для идеального транзистора описывается одним управляемым источником тока. Она получается из первой путем преобразования соотношений (*) и приближения . Тогда вместо (*) получим (**) Обозначим , подставим в (**): , или (***) Система (***) и позволяет построить модель с одним источником тока (рис.3.12). Рис. 3.12 Здесь . Эту модель как основу используют некоторые программы моделирования электронных схем, такие как Micro - Cap , Design Center и др. В программе PSpice часть параметров транзистора вводится, часть задается по умолчанию. Здесь также ток, передаваемый от эмиттера к коллектору выражается через напряжения эмиттер-база и коллектор база и общий заряд в базе. Учитываются эффекты высокого уровня инжекции, уменьшение коэффициента передачи базового тока при малых токах, модуляция ширины базы, объемное сопротивление базы. Динамические (частотные) свойства переходов учитываются включением в модель барьерной и диффузионной емкостей самих переходов и подложки. 3.3.2. Физические малосигнальные модели биполярных транзисторов Для анализа работы транзистора в усилительных устройствах в активном режиме часто используют физические и формализованные модели транзистора при заданных значениях постоянных напряжений и токов, совокупность которых определяет режим работы транзистора по постоянному току (или так называемую «рабочую точку»), для небольших (малых) изменений переменных токов и напряжений в окрестности этой рабочей точки. Именно для этих малых изменений переменных и строятся малосигнальные модели транзистора. Одной из физических малосигнальных моделей является модель, основой которой является модель Эберса-Молла с двумя источниками тока. На рис. 3.13 показана такая модель, включающая в себя объемные сопротивления полупроводников в областях эмиттера, базы, коллектора rЭ1 , rБ1 , rК1 , а также дифференциальные сопротивления и емкости переходов rЭ , rК , СЭ , СК . Рис. 3.13 Поскольку наибольшее объемное сопротивление полупроводника имеет база, и эмиттерный переход открыт, то можно использовать более простую Т-образную физическую модель транзистора с ОБ (рис.3.14,а). Для транзистора с ОЭ аналогичная модель представлена на рис. 3.14,б. Рис. 3.14 Дифференциальное сопротивление эмиттера составляет единицы – десятки Ом, сопротивление объема базы – сотни Ом, сопротивление коллектора в схеме с ОБ – Мегомы. Емкость коллекторного перехода составляет единицы – десятки пикофарад. В схеме с ОЭ в выходной цепи дифференциальное сопротивление и емкость пересчитываются по формулам: Емкости Ск и СК* влияют на работу транзистора в области высоких частот. Строгая теория дает довольно сложную картину зависимости параметров модели от частоты. На практике используют упрощенные модели, сводящие сложную зависимость лишь к изменению коэффициента передачи тока эмиттера (ОБ) или базы (ОЭ) от частоты: где - коэффициенты передачи тока на низких частотах, - частоты на которых коэффициент передачи падает в раз. Эти же частоты , выраженные в герцах, называются предельными частотами коэффициентов передачи тока в схемах ОБ и ОЭ соответственно. Частоты связаны зависимостью , т.е. предельная частота транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером меньше предельной частоты транзистора, включенного по схеме с общей базой. В зависимости от значения предельной частоты различают транзисторы низкочастотные ( ), среднечастотные ( ) сверхвысокочастотные ), высокочастотные ( . В справочниках для транзистора, включенного по схеме ОЭ, дается частота fгр (или fт), на которой коэффициент передачи базового тока становится равным 1. Кроме того, иногда приводится так называемая максимальная частота fmax – наибольшая частота, при которой транзистор способен работать в схеме автогенератора при оптимальной обратной связи. Приближенно , где - постоянная времени цепи обратной связи. Максимальная частота определяет устойчивость усилителя на данном транзисторе к самовозбуждению на частотах f < fmax 3.3.3. Малосигнальные модели биполярного транзистора в виде активного линейного четырехполюсника Для анализа работы транзистора с малыми сигналами в окрестности рабочей точки удобным является метод с применением теории активных линейных четырехполюсников. В этом случае и сам транзистор и схема, в которой он работает могут быть представлены четырехполюсником с двумя парами входных и выходных зажимов (рис. 3.15). Рис. 3.15 Такой линейный активный четырехполюсник можно описать различными способами и представить схемами замещения. Есть два подхода к такому описанию, а именно: с использованием внутренних параметров четырехполюсника и с использованием внешних (по отношению к источнику сигнала и нагрузке) параметров. В первом случае записываются уравнения, связывающие токи и напряжения непосредственно, независимо от назначения устройства. Во втором случае, параметры схемы замещения определяются условием работы и назначением устройства (усилитель тока, усилитель напряжения или мощности). Здесь важными являются такие параметры как коэффициенты передачи по току, напряжению или мощности, входное и выходное сопротивления. Их обычно определяют исходя из знания внутренних параметров четырехполюсника и его схемы замещения. Для четырехполюсников в принципе можно составить шесть систем из пар уравнений, связывающих входные и выходные токи и напряжения, коэффициентами которых являются соответствующие внутренние параметры. Для биполярного транзистора удобными системами являются системы h - и у - параметров. Уравнения линейного четырехполюсника в системе h - параметров имеют вид: , а в системе у-параметров: , где индекс 1 соответствует входной переменной, индекс 2 - выходной, а значок означает малые изменения соответствующих переменных, при которых транзистор можно считать линейным элементом. Из вышеприведенных систем уравнений следует, что входная зависимая переменная четырехполюсника зависит как от входной независимой переменной, так и от выходной независимой переменной, что свидетельствует о связи входа четырехполюсника с его выходом (обратная связь); а зависимая выходная переменная определяется как выходной независимой переменной, так и входной независимой переменной четырехполюсника. Таким образом, четырехполюсник характеризуется прямой - от входа к выходу, и обратной - от выхода к входу, передачей сигналов. Остановимся далее более конкретно на системе h - параметров. Каждый h - параметр имеет определенный физический смысл. Так, параметр h11 - это сопротивление, через которое течет входной ток i1 благодаря приложенному к нему напряжению u1 ; h12 - это параметр обратной передачи, он определяет, какая часть выходного напряжения передается во входную цепь; h21 - это параметр прямой передачи тока, он показывает, как передается в выходную цепь изменение тока во входной цепи; h22 - это проводимость, через которую течет выходной ток в результате приложенного выходного напряжения. Система уравнений позволяет представить линейный четырехполюсник в виде эквивалентной схемы (или схемы замещения), входная цепь которой определяется первым уравнением, а выходная вторым уравнением системы. Действительно, первое уравнение описывает в виде второго закона Кирхгофа некоторую последовательную цепь, включающую в себя сопротивление h11 и источник напряжения uэкв = h12 u2 . Второе уравнение системы описывает параллельную цепь в виде первого закона Кирхгофа, включающую в себя проводимость h22 и источник тока iэкв = h 21 i1 . Таким образом, активный линейный четырехполюсник может быть представлен в виде схемы замещения, показанной на рис.3.16. Рис. 3.16 Величины h -параметров четырехполюсника могут быть определены различными способами с помощью так называемых опытов холостого хода и короткого замыкания для переменных составляющих токов и напряжений. Так, опыт короткого замыкания на выходе ( u2 = 0) позволяет определить значения параметров h11 и h21 , а опыт короткого замыкания на входе ( i1 = 0) дает возможность определить значения параметров h12 и h22 . Для определения h - параметров могут быть также использованы физические схемы замещения транзисторов с известными параметрами, семейства их статических ВАХ в окрестности рабочей точки, а также эксперимент. Рассмотрим определение h -параметров для транзистора с ОЭ. Здесь входными переменными являются изменения тока базы и напряжения промежутка база-эмиттер, а выходными - изменения тока коллектора и напряжения промежутка коллектор-эмиттер. Система уравнений в этом случае будет иметь вид: Опыт короткого замыкания на выходе предполагает, что uкэ = 0, при этом напряжение коллектора относительно земли равно постоянному напряжению в рабочей точке Uкэ,0 . Опыт холостого хода на входе предполагает iб = 0, при этом ток базы транзистора равен току базы в рабочей точке Iб,0 . Принцип определения h - параметров транзистора с ОЭ по его семействам ВАХ показан на рис.3.17 в соответствии с соотношениями: h11,э = uбэ / iб при uкэ = 0 ( см. рис.3.17,а), h12,э = uбэ / uкэ при h21,э = iк / iб при uкэ = 0 (см. рис.3.17,в), h22,э = iк / uкэ при iб = 0 (см. рис.3.17,г). iб = 0 (см. рис.3.17,б), Рис. 3.17 Транзисторы с ОЭ характеризуются сравнительно слабой зависимостью входных характеристик от напряжения коллектор-эмиттер, поэтому часто принимают h12,Э 0. На рис.3.18 представлена эквивалентная схема транзистора с ОЭ, где приняты обозначения: rбэ = h11,э - входное сопротивление транзистора с ОЭ, = h21,э - коэффициент передачи базового тока в коллекторную цепь, rкэ = 1 / h22,э - выходное сопротивление транзистора с ОЭ. Малые изменения токов и напряжений отражены соответствующими амплитудами (индекс « m ») при гармоническом воздействии. Рис. 3.18 Эта схема пока не учитывает частотных свойств транзистора, так как параметры определены по статическим ВАХ. Используя физические малосигнальные модели транзистора, например, ЭберсаМолла, можно также определить h -параметры, но уже с учетом частотных свойств транзистора. Можно также в схему рис. 3.18 добавить эквивалентные емкости Сбэ и Сэк, отражающие инерционные (частотные) свойства транзистора. Для определения соответствующих h - параметров для транзисторов в схемах с ОБ и ОК можно воспользоваться известными параметрами для схемы с ОЭ. Для этого достаточно представить схемы замещения транзисторов с ОБ и ОК, включив в них транзистор ОЭ в виде его схемы замещения и соответственно соединить общие выводы (см. рис.3.18,а для ОБ и 3.18,б для ОК). Рис. 3.19 В учебниках и справочниках можно найти готовые формулы пересчета параметров одной схемы включения через параметры другой. Малосигнальные физические эквивалентные схемы биполярного транзистора Как и схемы замещения, малосигнальные физические (моделирующие) эквивалентные схемы предназначены для расчета малых переменных составляющих токов и напряжений, но элементы этих схем соответствуют структуре и физическим процессам реального транзистора. Параметры элементов физических эквивалентных схем вычисляются с помощью соотношений, вытекающих из теории транзисторов. Наиболее распространенные физические эквивалентные схемы получают путем линеаризации уравнений моделей Эберса - Молла, При этом уравнения предварительно упрощают, записывая для активного режима (малосигнальные физические эквивалентные схемы предназначены для анализа усилительных каскадов, в которых используется активный режим работы транзистора). В данном подразделе будут рассмотрены низкочастотные варианты эквивалентных схем, не учитывающие инерционность физических процессов в транзисторе. Схема для включения транзистора ОБ Т-образная малосигнальная эквивалентная схема приведена на рис. 3.20. Она включает: дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода: сопротивление тела базы: дифференциальное выходное сопротивление транзистора: дифференциальный коэффициент передачи тока в схеме с общей базой: Рис. 3.20 Схема получена путем линеаризации классической модели Эберса-Молла для активного режима. Для данного режима генератор тока Ii2 в схеме на рис. 3.20 отсутствует и iЭ = i1. При линеаризации вместо эмиттерного перехода с нелинейной характеристикой появляется его дифференциальное сопротивление rЭ. Сопротивление rК, учитывающее эффект Эрли определяется по выходным характеристикам транзистора в схеме с ОБ (см. определение параметра h 22) величина r к составляет десятки - сотни килоом и часто не учитывается. h21Б - параметр , аналогичный статическому коэффициенту передачи тока , но для малых приращений. В практических расчетах h21Б часто принимают равным единице. Схемы для включения транзистора с ОЭ Схема на рис. 3.37 может быть использована и при включении транзистора с ОЭ. Для этого ток эмиттера IЭm надо выразить через ток базы IБm. В соответствии со схемой на рис. 3.20 для тока коллектора справедливо , (3.55) кроме того: IЭm=IБm+IКm, тогда или (3.56) где - дифференциальный коэффициент передачи тока для схемы с ОЭ; (соотношение аналогичное Так как ). , то (3.57) Дифференциальный коэффициент передачи тока h21Э может отличаться от статического на десятки процентов, но технологический разброс еще больше и в последнее время между ними часто не делают различия, считая h21Э . - выходное сопротивление транзистора в схеме ОЭ ( в десятки раз меньше, чем rК в схеме с ОБ. а) б) Рис. 3.21 С учетом выражения (3.56) Т-образная, малосигнальная эквивалентная схема для включения с ОЭ приобретает вид (рис. 3.21, а). Для схемы с общем эмиттером часто используют и П-образную эквивалентную схему (рис 3.21, б), получаемую линеаризацией передаточной модели Эберса Молла. Статическая крутизна транзистора: , остальные элементы соответствуют введенным ранее для Т-образных схем. Резистор, показанный пунктиром, учитывает влияние модуляции ширины базы на дополнительный ток коллекторного перехода. Он имеет порядок rК и в практических расчетах не учитывается. П-образная схема удобна для расчетов методом узловых потенциалов и используется , например, в компьютерных программах. Сравнение усилительных свойств биполярного транзистора в различных схемах включения Рис. 3.22 Для сравнения усилительных каскадов воспользуемся малосигнальными физическими эквивалентными схемами при различных схемах включения транзистора (ОЭ, ОБ, ОК). При анализе будем полагать, что во всех схемах обеспечивается одинаковый режим по постоянному току. Схема ОЭ. Малосигнальная эквивалентная схема усилительного каскада (схема для переменных составляющих рис. 3.22) получена следующим образом: 1. Транзистор заменен его малосигнальной эквивалентной физической схемой ( в данном случае Т-образной). 2. Источники постоянного напряжения замкнуты накоротко ( их сопротивление переменному току близко к нулю). Как и ранее, сопротивление разделительных конденсаторов считается малым, а резисторов RБ и RК - большим. Из схемы следует, что коэффициент усиления по току равен , выходное напряжение определяется как . По закону Кирхгофа для входной цепи имеем . Учтем, что тогда , ; . (3.58) Входное напряжение равно . (3.59) Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен , (3.60) знак “ - ” показывает, что выходное напряжение противофазно входному. Выходное сопротивление (без вывода): . Для повышения стабильности работы усилительного каскада в эмиттерную цепь часто включают резистор R э>>r э , тогда и . (3.61) Аналогично можно проанализировать схемы с ОБ и с ОК. Для наглядности приближенные расчетные соотношения для трех схем включения транзистора сведены в таблицу 3.1. В скобках указаны типовые значения параметров для каскадов на маломощных транзисторах. Таблица 3.1 Параметр ОЭ ОБ ОК RВХ r Б+h21Э(rЭ+RЭ) h21ЭRЭ сотни ом ... единицы килоом rЭ+rБ(1-h21Б) единицы ...десятки ом h21ЭRЭ высокое десятки ... сотни килоом KI h21Э= (50...300) h21Б =(0,98...0,998) h21Э+1=(50...300) единицы ... сотни (с инверсией) десятки ... сотни (без инверсии) повторитель напряжения (без инверсии) десятки килоом низкое - десятки ом KU RВЫХ единицы килоом Сопоставляя полученные результаты, можно сделать выводы: 1. Схема с ОЭ обладает высоким усилением как по напряжению, так и по току, У нее самое большое усиление по мощности. Отметим, что схема изменяет фазу выходного напряжения на 180 . Это самая распространенная усилительная схема. 2. Схема с ОБ усиливает напряжение (примерно, как и схема с ОЭ), но не усиливает ток. Фаза выходного напряжения по отношению к входному не меняется. Схема находит применение в усилителях высоких и сверхвысоких частот. 3. Схема с ОК (эмиттерный повторитель) не усиливает напряжение, но усиливает ток. Основное применение данной схемы - согласование сопротивлений источника сигнала и низкоомной нагрузки.