Как происходит в транзисторе процесс усиления мощности электрических колебаний

Усиление электрических колебаний с помощью транзисторов

Транзистор можно использовать в качестве усилителя или генератора колебаний. Причем сравнительно малые по отношению к радиолампам размеры транзисторов позволяют не только уменьшить размеры приборов, но и создать приборы, а также датчики к ним настолько малых размеров, что они могут безопасно вводиться внутрь различных органов или даже вживляться в ткани организма.

Всхемах усилителей используется три способа включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором (рис. 3).

Типы включения транзистора в схемах усилений

Из рисунка видно, что база транзистора обязательно соединяется с входом усилителя, а коллектор – с его выходом. Рассмотрим работу транзистораp—n—pтипа в качестве усилителя при включении его по схеме с общей базой (рис. 3а). Усиливаемое переменное напряжениеU_вхвключено между эмиттером и базой последовательно с постоянным напряжениемE_Э. Входным током является ток эмиттераI_Э. При измененииU_вхсоответственно будет меняться иI_Эпо законуU_вх. Следовательно, по этому же закону будут менять свою величину ток базыI_Би ток коллектораI_К. ИзменяющийсяI_К, проходя по сопротивлению нагрузкиR_н, создает на нем изменяющееся падение напряжения, переменная составляющая которого через разделительный конденсатор подается на выход в виде величиныU_вых. Выходной коллекторный токI_Кпочти равен входному току эмиттера, и еслиR_нвыбрать больше, чем сопротивление входной цепи, падение напряжения на нагрузкеU_выхбудет больше входного напряжения

U_вхпри неизменной форме сигнала. Таким образом, усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано на изменении величины тока коллектора за счет изменения входного напряженияU_вх; это усилительное свойство характеризуется коэффициентом усиления по напряжениюk

где R_Э— сопротивление эмиттерного перехода (десятки ом).

Так как I_Э  I_К, то.

Кроме этого, вводят еще коэффициент усиления по току , равный отношению приращения выходного – коллекторного токаI_Кк вызвавшему это приращение изменению входного – эмиттерного токаI_Эпри постоянном напряжении на коллектореU_K, т.е.

приU_K = const.

Для рассмотренной схемы включения с общей базой коэффициент усиления по току  всегда меньше единицы и обычно

 = 0,90  0,99.

Отметим теперь некоторые особенности работы транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером (рис. 3 б). В этом случае входным током является ток базы I_Б, а выходным – ток коллектораI_К.

При изменении U_вхизменяется напряжение на базе транзистора. По этой причине изменяется потенциальный барьер эмиттерного перехода транзистора и происходит изменение интенсивности инжекции дырок из эмиттера в базу, т.е. изменение тока эмиттераI_Э .

В результате этого наблюдается одновременное изменение токов коллектора I_К иI_Б базы. Эти изменения синфазны, т.е. если увеличивается ток базы, то увеличивается и ток коллектора, а их величины пропорциональны. Поэтому формально для простоты рассмотрения физических процессов в транзисторе по схеме с общим эмиттером будем считать, что выходной ток – ток коллектораI_К управляется входным током – током базыI_Б, хотя физически это неверно, т.к. реальной причиной изменений тока коллектора являются изменения входного напряженияU_вх, приложенного к эмиттерному переходу. Для характеристики управляющего действия тока базы вводят один из важнейших параметров транзистора – коэффициент усиления по токув схеме с общим эмиттером, равный отношению приращения коллекторного токаI_К к вызвавшему его изменению тока базыI_Бпри постоянном напряжении на коллекторе:

приU_K = const.

Таким образом, процесс усиления в транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером можно формально рассматривать так: входное напряжение U_вх изменяет входной токI_Б, а уже ток базы вызывает значительно большие изменения тока коллектораI_К, т.е. происходит усиление входного сигнала по току.

( 1— примерно несколько десятков).

Ввиду наличия сопротивления нагрузки R_низменение тока коллектора сопровождается изменением падения напряжения на этом сопротивлении. Переменная составляющая этого изменения падения напряжения через конденсаторСподается на выход усилителя в качестве выходного напряженияU_вых. И так как амплитуда тока коллектораI_Квсегда больше амплитуды тока базыI_Б (  1), то при достаточной величине сопротивления нагрузкиR_намплитуда выходного напряженияU_выхполучается значительно больше амплитуды входного напряженияU_вх. Следовательно, в схеме с общим эмиттером сигнал усиливается по напряжению, по току и мощностиP (P=UI), тогда как в схеме с общей базой только по напряжению и по мощности.

Физические процессы в биполярном транзисторе

Физические процессы в биполярном транзисторе при усилении электрических сигналов рассмотрим на примере рис. 3.4. К транзистору подключают два источника ЭДС: – ЭДС источника входного сигнала, и – ЭДС источника питания (мощного источника). ЭДС подключается так, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а ЭДС должна смещать коллекторный переход в обратном направлении. Тогда при отсутствии тока в цепи источника входного сигнала (во входной цепи транзистора) нет тока и в цепи источника питания (в выходной цепи). Строго говоря, в выходной цепи будет протекать очень маленький ток – обратный ток закрытого коллекторного перехода , но им ввиду его малости можно пренебречь. Если же во входной цепи транзистора создать под действием источника какой-то ток , то дырки, являющиеся основными носителями в р -области эмиттера будут инжектироваться в область базы, где они становятся уже неосновными носителями. Те из них, которые попадают в зону действия электрического поля коллекторного перехода, будут испытывать со стороны этого поля ускоряющее, притягивающее действие и будут переброшены через границу раздела в область коллектора (область р -типа), где дырки уже являются основными носителями. Таким образом, в цепи источника питания появится ток – ток коллектора , который, протекая по сопротивлению нагрузки , создает там падение напряжения:

,

(3.1)

которое является выходным сигналом усилителя и в точности повторяет все изменения входного сигнала.

Отметим, что не все носители, инжектированные из эмиттера в базу, достигают коллекторного перехода; часть из них рекомбинирует в базе по пути движения от эмиттерного перехода к коллекторному – ток . Поэтому ток коллектора принципиально меньше тока эмиттера .

Отношение этих токов характеризует коэффициент передачи по току:

,

(3.2)

Чтобы увеличить коэффициент передачи по току область базы делают тонкой, чтобы меньшее количество носителей рекомбинировало в ней, и, кроме того, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода, чтобы улучшить процесс экстракции носителей из базы.Таким образом, удается достичь величины коэффициента передачи по току = 0,95…0,99 и более.

Несмотря на то, что в рассмотренной схеме усиления по току нет

( <1), все же коэффициент передачи по мощности может быть значительно больше единицы за счет большого усиления по напряжению. Ведь даже при малой величине коллекторного тока падение напряжения на сопротивлении нагрузки может быть значительным, за счет большой величины напряжения источника питания.

Отметим, что в транзисторах n–p–n -типа все описанные процессы протекают точно так же, но полярность источников и должна быть противоположной, а из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны, и электроны же будут образовывать коллекторный ток в цепи источника .

Следует отметить, что в процессе усиления электрического сигнала в транзисторе происходит изменение ширины базового слоя W, так как под действием внешних источников и толщина p–n -переходов изменяется, что в условиях малой ширины базового слоя происходит ее модуляция (данное явление получило название эффект Эрли). Это приводит к ряду особенностей:

1. Чем уже становится база, тем меньшее количество инжектированных носителей будет рекомбинировать в ней и, следовательно, большее количество их достигнет коллекторного перехода и будет участвовать в образовании тока коллектора . Это приведет к изменению коэффициента передачи по току .

2. Изменение тока при = const приводит к зависимости от , т.е. к изменению сопротивления коллекторного перехода.

3. Поскольку при этом меняется заряд носителей в базе, то это приводит к изменению ёмкости p–n -перехода.

4. Изменение ширины базового слоя приводит к изменению времени прохождения зарядами базовой области, т.е. к изменению частотных свойств транзистора.

5. Изменение ширины базы влияет на величину тока при неизменном значении .

Как крайнюю степень проявления модуляции ширины базы следует рассматривать явление, называемое проколом базы. Прокол базы наступает тогда, когда под действием большого значения ЭДС источника питания ширина коллекторного перехода возрастает настолько, что происходит его смыкание с эмиттерным переходом, что весьма вероятно в условиях малой толщины базовой области. При этом =1, а транзистор пробивается.

Основные параметры биполярных транзисторов:

1. Коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока:

2. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (единицы – десятки Ом)

3. Обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении (единицы наноампер – десятки миллиампер)

4. Объемное сопротивление базы (десятки – сотни Ом).

5. Выходная проводимость или дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (доли – сотни мкСм)

6. Максимально допустимый ток коллектора (сотни миллиампер – десятки ампер).

7. Напряжение насыщения коллектор – эмиттер (десятые доли – один вольт).

8. Наибольшая мощность рассеяния коллектором (милливатт – десятки ватт).

9. Ёмкость коллекторного перехода (единицы – десятки пикофарад).

Выводы:

1. При прямом напряжении, приложенном к эмиттерному переходу, потенциальный барьер понижается, и в базу инжектируются носители заряда.

2. Инжектированные в базу неосновные носители заряда диффундируют в сторону коллекторного перехода.

3. Вследствие того, что ширина базы транзистора мала и концентрация основных носителей заряда в ней низкая, почти все инжектированные в базу неосновные носители заряда достигают коллекторного перехода и перебрасываются полем потенциального барьера в коллектор, образуя управляемый ток коллектора.

4. Небольшая часть инжектированных носителей заряда успевает рекомбинировать в базе, образуя рекомбинированную составляющую тока эмиттера, которая замыкается через цепь базы.

5. Через цепь базы замыкается также небольшая составляющая тока эмиттера, образованная диффузией неосновных носителей заряда из базы в эмиттер, и обратный ток коллекторного перехода.

Усилительные свойства биполярного транзистора

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, благодаря чему его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

Схема с ОБ. В такой схеме значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, т.е. усиления по току не происходит. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Покажем это. В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении, его потенциальный барьер высок, поэтому инжекция дырок из коллектора в базу невозможна. Чтобы инжекция не происходила и при включении в коллекторную цепь резистора нагрузки с высоким сопротивлением R_К, необходимо, чтобы при этом не изменился знак потенциала коллектора.

Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если R_К велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз. В самом деле, изменение напряжения на эмиттере на ΔU_Э вызовет изменение эмиттерного тока на ΔI_Э = ΔU_Э/R_Э. Ток коллектора изменится практически на такое же значение: ΔI_К ≈ ΔI_Э, а напряжение на нагрузке изменится на

При работе транзистора в усилительном режиме на его вход подается переменный сигнал, который нужно усилить. Напряжение источника питания постоянно, но переменное напряжение, подаваемое на эмиттер (даже малое), приводит к большим изменениям (колебаниям) переменного напряжения сигнала на резисторе R_К, т.е. в схеме происходит усиление малого переменного входного сигнала.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Как происходит в транзисторе процесс усиления мощности электрических колебаний

17. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРЕ

Рассмотрим, как работает транзистор в статическом режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений. Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточен источник с напряжением порядка десятых долей вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение обычно составляет единицы или десятки вольт.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода существенно влияет на ток коллектора: чем больше напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменение тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, входное напряжение управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря явлению диффузии проникают сквозь базу в область коллекторного перехода, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в области этого перехода получаются объемные заряды. Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивает электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этой рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Вследствие рекомбинации какое-то количество дырок каждую секунду исчезает, но такое же количество новых дырок каждую секунду возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к полюсу источника такое же количество электронов. В базе не может происходить накопления какого-то большого количества электронов. Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы ток базы был как можно меньше. Для этого базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. При выполнении этих условий меньшее количество электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Данное одному из электродов название «эмиттер» подчеркивает, что электроны как бы эмитируют из этого электрода в базу. На самом же деле происходит не эмиссия, а инжекция электронов из эмиттера в базу. Применение этого термина необходимо для того, чтобы отличать данное явление от электронной эмиссии, в результате которой получаются электроны в вакууме или разреженном газе.

Эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Эмиттер и коллектор можно поменять местами. Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный переход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем в эмиттерном.