История транзисторов. Полупроводниковые приборы. Транзисторы

Продолжаем знакомиться с полупроводниковыми приборами и с этой статьи начнем разбираться с транзистором . В этой части мы познакомимся с устройством и маркировкой биполярных транзисторов .

Полупроводниковые транзисторы бывают двух видов: биполярные и полевые .
В отличие от полевых транзисторов биполярные получили наиболее широкое применение в радиоэлектронике, а чтобы эти транзисторы как-то отличать друг от друга, биполярные принято называть просто — транзисторами.

1. Устройство и обозначение биполярного транзистора.

Схематично биполярный транзистор можно представить в виде пластины с чередующимися областями разной электропроводности, которые образуют два p-n перехода. Причем обе крайние области обладают электропроводностью одного типа, а средняя область электропроводностью другого типа, и где каждая из областей имеет свой контактный вывод.

Если в крайних областях полупроводника преобладает дырочная электропроводность, а в средней области электронная , то такой полупроводниковый прибор называют транзистором структуры p-n-p .

А если в крайних областях преобладает электронная электропроводность, а в средней дырочная , то такой транзистор имеет структуру n-p-n .

А теперь возьмем схематичную часть транзистора и прикроем любую крайнюю область, например, область коллектора , и посмотрим на результат: у нас остались открытыми область базы и эмиттера , то есть получился полупроводник с одним p-n переходом или обычный полупроводниковый диод. О диодах можно почитать .

Если же мы прикроем область эмиттера , то останутся открытыми области базы и коллектора — и также получается диод.

Отсюда возникает вывод, что биполярный транзистор можно представить в виде двух диодов с одной общей областью, включенных навстречу друг другу. При этом общая (средняя) область называется базой , а примыкающие к базе области коллектором и эмиттером . Это и есть три электрода транзистора.

Примыкающие к базе области делают неодинаковыми: одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходил ввод (инжекция) носителей заряда в базу , а другую область делают таким-образом, чтобы в нее эффективно осуществлялся вывод (экстракция) носителей заряда из базы .

Отсюда получается:

ввод (инжекция) носителей зарядов в базу называется эмиттером эмиттерным .

область транзистора, назначением которой является вывод (экстракция) носителей из базы, называется коллектором , и соответствующий p-n переход коллекторным .

То есть получается, что эмиттер вводит электрические заряды в базу, а коллектор их забирает .

Различие в обозначениях транзисторов разных структур на принципиальных схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p-n-p транзисторах она обращена в сторону базы, а в n-p-n транзисторах – от базы.

2. Технология изготовления биполярных транзисторов.

Технология изготовления транзисторов ни чем не отличается от технологии изготовления диодов. Еще в начальный период развития транзисторной техники биполярные транзисторы делали только из германия методом вплавления примесей, и такие транзисторы называют сплавными .

Берется кристалл германия и в него вплавляются кусочки индия.
Атомы индия диффузируют (проникают) в тело кристалла германия, образуя в нем две области p-типа – коллектор и эмиттер. Между этими областями остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника n-типа , которую именуют базой. А чтобы защитить кристалл от влияния света и механического воздействия его помещают в металлостеклянный, металлокерамический или пластмассовый корпус.

На картинке ниже показано схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора, собранного на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу диска – ее наружный проволочный вывод.

Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проводникам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Металлический колпак защищает прибор от влияния света и механических повреждений. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные германиевые транзисторы из серии МП37 — МП42.

В обозначении буква «М» говорит, что корпус транзистора холодносварной , буква «П» — это первая буква слова «плоскостной », а цифры означают порядковый заводской номер транзистора. Как правило, после заводского номера ставят буквы А, Б, В, Г и т.д., указывающие на разновидность транзистора в данной серии, например, МП42Б.

С появлением новых технологий научились обрабатывать кристаллы кремния, и уже на его основе были созданы кремниевые транзисторы, получившие наиболее широкое применение в радиотехнике и на сегодняшний день практически полностью вытеснившие германиевые приборы.

Кремниевые транзисторы могут работать при более высоких температурах (до 125ºС), имеют меньшие обратные токи коллектора и эмиттера, а также более высокие пробивные напряжения.

Основным методом изготовления современных транзисторов является планарная технология, а транзисторы, выполненные по этой технологии, называют планарными . У таких транзисторов p-n переходы эмиттер-база и коллектор-база находятся в одной плоскости. Суть метода заключается в диффузии (вплавлении) в пластину исходного кремния примеси, которая может находиться в газообразной, жидкой или твердой фазе.

Как правило, коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного кремния, на поверхность которой вплавляют близко друг от друга два шарика примесных элементов. В процессе нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластину кремния.

При этом один шарик образует в пластине тонкую базовую область, а другой эмиттерную . В результате в пластине исходного кремния образуются два p-n перехода, образующие транзистор структуры p-n-p. По такой технологии изготавливают наиболее распространенные кремниевые транзисторы.

Также для изготовления транзисторных структур широко используются комбинированные методы: сплавление и диффузия или сочетание различных вариантов диффузии (двусторонняя, двойная односторонняя). Возможный пример такого транзистора: базовая область может быть диффузионная, а коллектор и эмиттер – сплавные.

Использование той или иной технологии при создании полупроводниковых приборов диктуется различными соображениями, связанными с техническими и экономическими показателями, а также их надежностью.

3. Маркировка биполярных транзисторов.

На сегодняшний день маркировка транзисторов, согласно которой их различают и выпускают на производствах, состоит из четырех элементов.
Например: ГТ109А, ГТ328, 1Т310В, КТ203Б, КТ817А, 2Т903В.

Первый элемент — буква Г , К , А или цифра 1 , 2 , 3 – характеризует полупроводниковый материал и температурные условия работы транзистора.

1 . Буква Г или цифра 1 присваивается германиевым транзисторам;
2 . Буква К или цифра 2 присваивается кремниевым транзисторам;
3 . Буква А или цифра 3 присваивается транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия .

Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах: германий – выше 60ºС, а кремний – выше 85ºС.

Второй элемент – буква Т от начального слова «транзистор».

Третий элемент – трехзначное число от 101 до 999 – указывает порядковый заводской номер разработки и назначение транзистора. Эти параметры даны в справочнике по транзисторам.

Четвертый элемент – буква от А до К – указывает разновидность транзисторов данной серии.

Однако до сих пор еще можно встретить транзисторы, на которых стоит более ранняя система обозначения, например, П27, П213, П401, П416, МП39 и т.д. Такие транзисторы выпускались еще в 60 — 70-х годах до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Пусть эти транзисторы устарели, но они все еще пользуются популярностью и применяются в радиолюбительских схемах.

В рамках этой части статьи мы рассмотрели лишь общие методы изготовления транзисторных структур, чтобы начинающему радиолюбителю было легче понять внутреннее устройство транзистора.

На этом мы закончим, а в проведем несколько опытов и на их основе сделаем практические выводы о работе биполярного транзистора .
Удачи!

Литература:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К — Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» — 4-е изд. перераб. и доп. 1987г.

Подборка справочных данных на отечественные биполярные транзисторы малой, средней и большой мощности. В основном производства советского союза

Полупроводниковые приборы малой мощности имеют допустимую мощность рассеяния в коллекторном переходе до 0,3 Вт . (Под мощностью в данной классификации подразумевается мощность, выделяемая на коллекторном переходе полупроводника) Отвод тепла от коллекторного перехода к корпусу у них происходит вдоль тонкой пластины базы, имеющей малую теплопроводность. Рассчитываются для работы без специальных теплоотводящих устройств (радиаторов).Все внешние выводы расположены по диаметру донышка и в обычно средний вывод является базовым, а эмиттерный расположен чкть ближе к базовому, чем коллекторный.

К этим полупроводникам относят приборы с рассеиваемой мощностью в интервале от 0,3 до 1,5 Вт

Для транзисторов большой мощности рассеиваемая мощность превышает 1,5 Вт.

Корпус - это основная и самая габаритная часть конструкции абсолютно любого транзистора, выполняющая защитную функцию от внешних воздействий и используемая также для соединения с внешними схемами с помощью металлических выводов. Типы корпусов зарубежных транзисторов стандартизованы для простоты процесса изготовления и применения изделий в радиолюбительской практике. Число типовых транзисторов в настоящее время исчисляется сотнями.

Каждый полупроводниковый прибор, в том числе и транзистор, имеет свое уникальное обозначение, по которой можно его идентифицировать из кучи других радиокомпонентов и деталей.

Основным элементом двухпереходного биполярного транзистора является монокристалл полупроводника типа п или р, в котором с помощью примесей созданы три области с электронной и дырочной электропроводимостью, разделенные двумя p-n переходами (смотри рисунок в верхней части страницы). Если средняя область имеет электронную проводимость типа п, а две крайние дырочную типа р, то такой транзистор имеет структуру р-п-р в отличие от транзисторов п-р-п, имеющих среднюю область с дырочной, а крайние области с электронной проводимостями.

Средняя область 1 кристалла полупроводника с n-проводимостью называется базой. Одна крайняя область 2 с р-проводимостью, инжектирующая (эмиттирующая) неосновные носители заряда, называется эмиттером, а другая 3, осуществляющая экстракцию (выведение) носителей заряда из базы, - коллектором. База отделена от эмиттера и коллектора эмиттерным 4 и коллекторным 5 р-п-переходами. От базы 1, эмиттера 2 и коллектора 3 сделаны металлические выводы (Б, Э, К), которые проходят через изоляторы в дне корпуса.

Транзисторы изготовляют в герметичных металлостеклянных, металлокерамических или пластмассовых корпусах, а также без корпусов. Бескорпусные транзисторы защищены от влияния внешней среды слоем лака, смолы, легкоплавкого стекла и герметизируются совместно с устройством, в котором они предварительно монтируются. настоящее время большинство транзисторов, в том числе транзисторы интегральных схем, выполняют на основе кремния с плоскостным типом перехода. Применение точечных переходов из-за нестабильности работы ограничено. Базовая область транзисторов выполняется с очень малой толщиной (от 1 до 25 мкм). Различна степень легирования областей. Концентрация примесей в эмиттере на несколько порядков выше, чем в базе. Степень легирования базы и коллектора зависит от типа транзистора.

В рабочем режиме к электродам транзисторов подключают постоянные напряжения внешних источников энергии. Помимо постоянных напряжений, к электродам подводят сигналы, подлежащие преобразованию. В связи с этим различают входную цепь, в которую подводят сигнал, и выходную, в которой с нагрузки снимают сигнал. В зависимости от того, какой из электродов при включении транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают схемы с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК. В схеме с ОБ входной цепью является цепь эмиттера, а выходной - цепь коллектора. В схеме с ОЭ входной является цепь базы, а выходной- цепь коллектора. В схеме с ОК входной является цепь базы, а выходной - цепь эмиттера.

Физические процессы, протекающие в транзисторах со структурой р-п-р и п-р-п, одинаковы. В транзисторах п-р-п в отличие от транзисторов р-п-р подается напряжение обратной полярности и токи имеют противоположное направление.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам, различают активный, отсечки, насыщения и инверсный режимы включения транзистора.

Активный режим используется при усилении слабых сигналов. В этом режиме на эмиттерный переход подается прямое, а на коллекторный- обратное напряжение. В активном режиме эмиттер инжектирует в область базы неосновные для нее носители, а коллектор производит экстракцию (выведение) неосновных носителей из базовой области.

В режиме отсечки к обоим переходам подводятся обратные напряжения, при которых ток через транзистор ничтожно мал. В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся под прямым напряжением; в обоих переходах происходит инжекция носителей; транзистор превращается в двойной диод; ток в выходной цепи максимален при выбранном значении нагрузки и не управляется током входной цепи; транзистор полностью открыт.

В режимах отсечки и насыщения обычно используется транзистор в схемах электронных переключателей. В инверсном режиме меняют функции эмиттера и коллектора, подключив к коллекторному переходу прямое, а к эмиттерному--обратное напряжение. Однако из-за несимметрии структуры и различия концентрации носителей в областях коллектора и эмиттера инверсное включение транзистора неравноценно его нормальному включению в активном режиме.

В данной статье расскажем про транзистор. Покажем схемы его подключения и расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером.

ТРАНЗИСТОР — это полупроводниковый прибор для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, выполненный на основе монокристаллического полупроводника (Si – кремния, или Gе — германия), содержащего не менее трёх областей с различной - электронной (n ) и дырочной (p ) - проводимостью. Изобретён в 1948 американцами У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. По физической структуре и механизму управления током различают транзисторы биполярные (чаще называют просто транзисторами) и униполярные (чаще называют полевыми транзисторами). В первых, содержащих два, или более электронно-дырочных перехода, носителями заряда служат как электроны, так и дырки, во вторых - либо электроны, либо дырки. Термн «транзистор» нередко используют для обозначения портативных радиовещательных приёмников на полупроводниковых приборах.

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор может быть n-p-n и p-n-p проводимости. Не заглядывая во внутренности транзистора, можно отметить разницу проводимостей лишь в полярности подключения в практических схемах источников питания, конденсаторов, диодов, которые входят в состав этих схем. На рисунке справа графически изображены n-p-n и p-n-p транзисторы.

У транзистора три вывода. Если рассматривать транзистор как четырёхполюсник, то у него должно быть два входных и два выходных вывода. Следовательно, какой то из выводов должен быть общим, как для входной, так и для выходной цепи.

Схемы включения транзистора

Схема включения транзистора с общим эмиттером – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по напряжению и по току. При этом входной сигнал, усиливаясь транзистором, инвертируется. Другими словами фаза выходного сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта схема, является основной, для усиления сигналов разной амплитуды и формы. Входное сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное — от единиц до десятков килоом.

Схема включения транзистора с общим коллектором – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Усиления по напряжению в такой схеме не происходит. Правильнее сказать, коэффициент усиления по напряжению даже меньше единицы. Входной сигнал транзистором не инвертируется.
Входное сопротивление транзисторного каскада с ОК бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом — единиц килоом. Благодаря тому, что в цепи эмиттера находится, как правило, нагрузочный резистор, схема обладает большим входным сопротивлением. Кроме того, благодаря усилению входного тока, она обладает высокой нагрузочной способностью. Эти свойства схемы с общим коллектором используются для согласования транзисторных каскадов — как «буферный каскад». Так как, входной сигнал, не усиливаясь по амплитуде «повторяется» на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют Эмиттерный повторитель .

Имеется ещё Схема включения транзистора с общей базой . Эта схема включения в теории есть, но в практике она реализуется очень тяжело. Такая схема включения используется в высокочастотной технике. Особенность её в том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Опыт в электронике у меня не малый, но говоря об этой схеме включения транзистора, я извините, ничего не знаю! Пару раз использовал как «чужую» схему, но так и не разбирался. Объясню: по всем физическим законам транзистор управляется его базой, вернее током, протекающим по пути база-эмиттер. Использование входного вывода транзистора — базы на выходе — не возможно. На самом деле базу транзистора через конденсатор «сажают» по высокой частоте на корпус, а на выходе её и не используют. А гальванически, через высокоомный резистор, базу связывают с выходом каскада (подают смещение). Но подавать смещение, по сути можно откуда угодно, хоть от дополнительного источника. Всё равно, попадающий на базу сигнал любой формы гасится через тот же самый конденсатор. Чтобы такой каскад работал, входной вывод — эмиттер через низкоомный резистор «сажают» на корпус, отсюда и низкое входное сопротивление. В общем, схема включения транзистора с общей базой — тема для теоретиков и экспериментаторов. На практике она встречается крайне редко. За свою практику в конструировании схем никогда не сталкивался с необходимостью использования схемы включения транзистора с общей базой. Объясняется это свойствами этой схемы включения: входное сопротивление — от единиц до десятков Ом, а выходное сопротивление — от сотен килоом до единиц мегаом. Такие специфические параметры — редкая потребность.

Биполярный транзистор может работать в ключевом и линейном (усилительном) режимах. Ключевой режим используется в различных схемах управления, логических схемах и др. В ключевом режиме, транзистор может находиться в двух рабочих состояниях – открытом (насыщенном) и закрытом (запертом) состоянии. Линейный (усилительный) режим используется в схемах усиления гармонических сигналов и требует поддержания транзистора в «наполовину» открытом, но не насыщенном состоянии.

Для изучения работы транзистора, мы рассмотрим схему включения транзистора с общим эмиттером, как наиболее важную схему включения.

Схема изображена на рисунке. На схеме VT – собственно транзистор. Резисторы R б1 и R б2 – цепочка смещения транзистора, представляющая собой обыкновенный делитель напряжения. Именно эта цепь обеспечивает смещение транзистора в «рабочую точку» в режиме усиления гармонического сигнала без искажений. Резистор R к – нагрузочный резистор транзисторного каскада, предназначен для подвода к коллектору транзистора электрического тока источника питания и его ограничения в режиме «открытого» транзистора. Резистор R э – резистор обратной связи, по своей сути увеличивает входное сопротивление каскада, при этом, уменьшает усиление входного сигнала. Конденсаторы С выполняют функцию гальванической развязки от влияния внешних цепей.

Чтобы Вам было понятнее, как работает биполярный транзистор, мы проведём аналогию с обычным делителем напряжения (см. рис. ниже). Для начала, резистор R 2 делителя напряжения сделаем управляемым (переменным). Изменяя сопротивление этого резистора, от нуля до «бесконечно» большого значения, мы можем получить на выходе такого делителя напряжение от нуля до значения, подаваемого на его вход. А теперь, представим себе, что резистор R 1 делителя напряжения – это коллекторный резистор транзисторного каскада, а резистор R 2 делителя напряжения – это переход транзистора коллектор-эмиттер. При этом, подавая на базу транзистора управляющее воздействие в виде электрического тока, мы изменяем сопротивление перехода коллектор-эмиттер, тем самым меняем параметры делителя напряжения. Отличие от переменного резистора в том, что транзистор управляется слабым током. Именно так и работает биполярный транзистор. Вышеуказанное изображено на рисунке ниже:

Для работы транзистора в режиме усиления сигнала, без искажения последнего, необходимо обеспечить этот самый рабочий режим. Говорят о смещении базы транзистора. Грамотные специалисты тешат себя правилом: Транзистор управляется током – это аксиома. Но режим смещения транзистора устанавливается напряжением база-эмиттер, а не током – это реальность. И у того, кто не учитывает напряжение смещения, никакой усилитель работать не будет. Поэтому в расчётах его значение должно учитываться.

Итак, работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах 0,6…0,7 вольт, для германиевого – 0,2…0,3 вольта. Зная об этом понятии, можно не только рассчитывать транзисторные каскады, но и проверять исправность любого транзисторного усилительного каскада. Достаточно мультиметром с высоким внутренним сопротивлением измерить напряжение смещения база-эмиттер транзистора. Если оно не соответствует 0,6…0,7 вольт для кремния, или 0,2…0,3 вольта для германия, тогда ищите неисправность именно здесь – либо неисправен транзистор, либо неисправны цепи смещения или развязки этого транзисторного каскада.

Вышеуказанное, изображено на графике – вольтамперной характеристике (ВАХ).

Большинство из «спецов», посмотрев на представленную ВАХ скажет: Что за ерунда нарисована на центральном графике? Так выходная характеристика транзистора не выглядит! Она представлена на правом графике! Отвечу, там всё правильно, а началось это с электронно-вакуумных ламп. Раньше вольтамперной характеристикой лампы считалось падение напряжения на анодном резисторе. Сейчас, продолжают измерять на коллекторном резисторе, а на графике приписывают буквы, обозначающие падение напряжения на транзисторе, в чём глубоко ошибаются. На левом графике I б – U бэ представлена входная характеристика транзистора. На центральном графике I к – U кэ представлена выходная вольтамперная характеристика транзистора. А на правом графике I R – U R представлен вольтамперный график нагрузочного резистора R к , который обычно выдают за вольтамперную характеристику самого транзистора.

На графике имеет место линейный участок, используемый для линейного усиления входного сигнала, ограниченный точками А и С . Средняя точка – В , является именно той точкой, в которой необходимо содержать транзистор, работающий в усилительном режиме. Этой точке соответствует определённое напряжение смещения, которое при расчётах обычно берут: 0,66 вольт для транзистора из кремния, или 0,26 вольт для транзистора из германия.

По вольтамперной характеристике транзистора мы видим следующее: при отсутствии, или малом напряжении смещения на переходе база-эмиттер транзистора, ток базы и ток коллектора отсутствуют. В этот момент на переходе коллектор-эмиттер падает всё напряжение источника питания. При дальнейшем повышении напряжения смещения база-эмиттер транзистора, транзистор начинает открываться, появляется ток базы и вместе с ним растёт ток коллектора. При достижении «рабочей области» в точке С , транзистор входит в линейный режим, который продолжается до точки А . При этом, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер уменьшается, а на нагрузочном резисторе R к , наоборот увеличивается. Точка В – рабочая точка смещения транзистора, — это такая точка, при которой на переходе коллектор — эмиттер транзистора, как правило, устанавливается падение напряжения равное ровно половине напряжения источника питания. Отрезок АЧХ от точки С , до точки А называют рабочей областью смещения. После точки А , ток базы и следовательно ток коллектора резко возрастают, транзистор полностью открывается — входит в насыщение. В этот момент, на переходе коллектор-эмиттер падает напряжение обусловленное структурой n-p-n переходов, которое приблизительно равно 0,2…1 вольт, в зависимости от типа транзистора. Всё остальное напряжение источника питания падает на сопротивлении нагрузки транзистора – резисторе R к ., который кроме того, ограничивает дальнейший рост тока коллектора.

По нижним «дополнительным» рисункам, мы видим, как изменяется напряжение на выходе транзистора в зависимости от подаваемого на вход сигнала. Выходное напряжение (падение напряжения на коллекторе) транзистора противофазно (на 180 градусов) к входному сигналу.

Расчёт транзисторного каскада с общим эмиттером (ОЭ)

Прежде чем перейти непосредственно к расчёту транзисторного каскада, обратим внимание на следующие требования и условия:

Расчёт транзисторного каскада проводят, как правило, с конца (т.е. с выхода);

Для расчета транзисторного каскада нужно определить падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора в режиме покоя (когда отсутствует входной сигнал). Оно выбирается таким, чтобы получить максимально неискаженный сигнал. В однотактной схеме транзисторного каскада работающего в режиме «A» это, как правило, половина значения напряжения источника питания;

В эмиттерной цепи транзистора бежит два тока — ток коллектора (по пути коллектор-эмиттер) и ток базы (по пути база-эмиттер), но так как ток базы достаточно мал, им можно пренебречь и принять, что ток коллектора равен току эмиттера;

Транзистор – усилительный элемент, поэтому справедливо будет заметить, что способность его усиливать сигналы должна выражаться какой-то величиной. Величина усиления выражается показателем, взятым из теории четырёхполюсников — коэффициент усиления тока базы в схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) и обозначается он — h 21 . Его значение приводится в справочниках для конкретных типов транзисторов, причём, обычно в справочниках приводится вилка (например: 50 – 200). Для расчётов обычно выбирают минимальное значение (из примера выбираем значение — 50);

Коллекторное (R к ) и эмиттерное (R э ) сопротивления влияют на входное и выходное сопротивления транзисторного каскада. Можно считать, что входное сопротивление каскада R вх =R э *h 21 , а выходное равно R вых =R к . Если Вам не важно входное сопротивление транзисторного каскада, то можно обойтись вовсе без резистора R э ;

Номиналы резисторов R к и R э ограничивают токи, протекающие через транзистор и рассеиваемую на транзисторе мощность.

Порядок и пример расчёта транзисторного каскада с ОЭ

Исходные данные:

Питающее напряжение U и.п. =12 В.

Выбираем транзистор, например: Транзистор КТ315Г, для него:

P max =150 мВт; I max =150 мА; h 21 >50.

Принимаем R к =10*R э

Напряжение б-э рабочей точки транзистора принимаем U бэ = 0,66 В

Решение:

1. Определим максимальную статическую мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе в моменты прохождения переменного сигнала, через рабочую точку В статического режима транзистора. Она должна составлять значение, на 20 процентов меньше (коэффициент 0,8) максимальной мощности транзистора, указанной в справочнике.

Принимаем P рас.max =0,8*P max =0,8*150 мВт=120 мВт

2. Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала):

I к0 =P рас.max /U кэ0 =P рас.max /(U и.п. /2) = 120мВт/(12В/2) = 20мА.

3. Учитывая, что на транзисторе в статическом режиме (без сигнала) падает половина напряжения питания, вторая половина напряжения питания будет падать на резисторах:

(R к +R э )=(U и.п. /2)/I к0 = (12В/2)/20мА=6В/20мА = 300 Ом.

Учитывая существующий ряд номиналов резисторов, а также то, что нами выбрано соотношение R к =10*R э , находим значения резисторов:

R к = 270 Ом; R э = 27 Ом.

4. Найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала.

U к0 =(U кэ0 + I к0 *R э )=(U и.п. — I к0 *R к ) = (12 В — 0,02А * 270 Ом) = 6,6 В.

5. Определим ток базы управления транзистором:

I б =I к /h 21 =/h 21 = / 50 = 0,8 мА.

6. Полный базовый ток определяется напряжением смещения на базе, которое задается делителем напряжения R б1 ,R б2 . Ток резистивного базового делителя должен быть на много больше (в 5-10 раз) тока управления базы I б , чтобы последний не влиял на напряжение смещения. Выбираем ток делителя в 10 раз большим тока управления базы:

R б1 ,R б2 : I дел. =10*I б = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА.

Тогда полное сопротивление резисторов

R б1 +R б2 =U и.п. /I дел. = 12 В / 0,008 А = 1500 Ом.

7. Найдём напряжение на эмиттере в режиме покоя (отсутствия сигнала). При расчете транзисторного каскада необходимо учитывать: напряжение база-эмиттер рабочего транзистора не может превысить 0,7 вольта! Напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала примерно равно:

U э =I к0 *R э = 0,02 А * 27 Ом= 0,54 В,

где I к0 — ток покоя транзистора.

8. Определяем напряжение на базе

U б =U э +U бэ =0,54 В+0,66 В=1,2 В

Отсюда, через формулу делителя напряжения находим:

R б2 = (R б1 +R б2 )*U б /U и.п. = 1500 Ом * 1,2 В / 12В = 150 Ом R б1 = (R б1 +R б2 )-R б2 = 1500 Ом — 150 Ом = 1350 Ом = 1,35 кОм.

По резисторному ряду, в связи с тем, что через резистор R б1 течёт ещё и ток базы, выбираем резистор в сторону уменьшения: R б1 =1,3 кОм.

9. Разделительные конденсаторы выбирают исходя из требуемой амплитудно-частотной характеристики (полосы пропускания) каскада. Для нормальной работы транзисторных каскадов на частотах до 1000 Гц необходимо выбирать конденсаторы номиналом не менее 5 мкФ.

На нижних частотах амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада зависит от времени перезаряда разделительных конденсаторов через другие элементы каскада, в том числе и элементы соседних каскадов. Ёмкость должна быть такой, чтобы конденсаторы не успевали перезаряжаться. Входное сопротивление транзисторного каскада много больше выходного сопротивления. АЧХ каскада в области нижних частот определяется постоянной времени t н =R вх *C вх , где R вх =R э *h 21 , C вх — разделительная входная емкость каскада. C вых транзисторного каскада, это C вх следующего каскада и рассчитывается она так же. Нижняя частота среза каскада (граничная частота среза АЧХ) f н =1/t н . Для качественного усиления, при конструировании транзисторного каскада необходимо выбирать, чтобы соотношение 1/t н =1/(R вх *C вх )< в 30-100 раз для всех каскадов. При этом чем больше каскадов, тем больше должна быть разница. Каждый каскад со своим конденсатором добавляет свой спад АЧХ. Обычно, достаточно разделительной емкости 5,0 мкФ. Но последний каскад, через Cвых обычно нагружен низкоомным сопротивлением динамических головок, поэтому емкость увеличивают до 500,0-2000,0 мкФ, бывает и больше.

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор R б1 . Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резистор R б2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.

Одним из значительных изобретений XX века по праву считается изобретение транзистора , пришедшего на замену электронным лампам.

Долгое время лампы были единственным активным компонентом всех радиоэлектронных устройств, хотя и имели множество недостатков. Прежде всего, это большая потребляемая мощность, большие габариты, малый срок службы и малая механическая прочность. Эти недостатки все острее ощущались по мере усовершенствования и усложнения электронной аппаратуры.

Революционный переворот в радиотехнике произошел, когда на смену устаревшим лампам пришли полупроводниковые усилительные приборы - транзисторы, лишенные всех упомянутых недостатков.

Первый работоспособный транзистор появился на свет в 1947 году, благодаря стараниям сотрудников американской фирмы Bell Telephone Laboratories. Их имена теперь известны всему миру. Это ученые - физики У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен. Уже в 1956 году за это изобретение все трое были удостоены нобелевской премии по физике.

Но, как и многие великие изобретения, транзистор был замечен не сразу. Лишь в одной из американских газет было упомянуто, что фирма Bell Telephone Laboratories продемонстрировала созданный ею прибор под названием транзистор. Там же было сказано, что его можно использовать в некоторых областях электротехники вместо электронных ламп.

Показанный транзистор имел форму маленького металлического цилиндрика длиной 13 мм и демонстрировался в приемнике, не имевшем электронных ламп. Ко всему прочему, фирма уверяла, что прибор может использоваться не только для усиления, но и для генерации или преобразования электрического сигнала.

Рис. 1. Первый транзистор

Рис. 2. Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн. За сотрудничество в разработке первого в мире действующего транзистора в 1948 году они разделили Нобелевскую премию 1956 года.

Но возможности транзистора, как, впрочем, и многих других великих открытий, были поняты и оценены не сразу. Чтобы вызвать интерес к новому прибору, фирма Bell усиленно рекламировала его на семинарах и в статьях, и предоставляла всем желающим лицензии на его производство.

Производители электронных ламп не видели в транзисторе серьезного конкурента, ведь нельзя было так сразу, одним махом, сбросить со счетов тридцатилетнюю историю производства ламп нескольких сотен конструкций, и многомиллионные денежные вложения в их развитие и производство. Поэтому транзистор вошел в электронику не так быстро, поскольку эпоха электронных ламп еще продолжалась.

Рис. 3. Транзистор и электронная лампа

Первые шаги к полупроводникам

С давних времен в электротехнике использовались в основном два вида материалов - проводники и диэлектрики (изоляторы). Способностью проводить ток обладают металлы, растворы солей, некоторые газы. Эта способность обусловлена наличием в проводниках свободных носителей заряда - электронов. В проводниках электроны достаточно легко отрываются от атома, но для передачи электрической энергии наиболее пригодны те металлы, которые обладают низким сопротивлением (медь, алюминий, серебро, золото).

К изоляторам относятся вещества с высоким сопротивлением, у них электроны очень крепко связаны с атомом. Это фарфор, стекло, резина, керамика, пластик. Поэтому свободных зарядов в этих веществах нет, а значит нет и электрического тока.

Здесь уместно вспомнить формулировку из учебников физики, что электрический ток это есть направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля. В изоляторах двигаться под действием электрического поля просто нечему.

Однако, в процессе исследования электрических явлений в различных материалах некоторым исследователям удавалось «нащупать» полупроводниковые эффекты. Например, первый кристаллический детектор (диод) создал в 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун на основе контакта свинца и пирита. (Пирит - железный колчедан, при ударе о кресало высекается искра, отчего и получил название от греческого «пир» - огонь). Позднее этот детектор с успехом заменил когерер в первых приемниках, что значительно повысило их чувствительность.

В 1907 году Беддекер, исследуя проводимость йодистой меди обнаружил, что ее проводимость возрастает в 24 раза при наличии примеси йода, хотя сам йод проводником не является. Но все это были случайные открытия, которым не могли дать научного обоснования. Систематическое изучение полупроводников началось лишь в 1920 - 1930 годы.

На заре производства транзисторов основным полупроводником являлся германий (Ge). В плане энергозатрат он весьма экономичен, напряжение отпирания его pn - перехода составляет всего 0,1…0,3В, но вот многие параметры нестабильны, поэтому на замену ему пришел кремний (Si).

Температура, при которой работоспособны германиевые транзисторы не более 60 градусов, в то время, как кремниевые транзисторы могут продолжать работать при 150. Кремний, как полупроводник, превосходит германий и по другим свойствам, прежде всего по частотным.

Кроме того, запасы кремния (обычный песок на пляже) в природе безграничны, а технология его очистки и обработки проще и дешевле, нежели редкого в природе элемента германия. Первый кремниевый транзистор появился вскоре после первого германиевого - в 1954 году. Это событие даже повлекло за собой новое название «кремниевый век», не надо путать с каменным!

Рис. 4. Эволюция транзисторов

Микропроцессоры и полупроводники. Закат «кремниевого века»

Вы никогда не задумывались над тем, почему в последнее время практически все компьютеры стали многоядерными? Термины двухъядерный или четырехъядерный у всех на слуху. Дело в том, что увеличение производительности микропроцессоров методом повышения тактовой частоты, и увеличения количества транзисторов в одном корпусе, для кремниевых структур практически приблизилось к пределу.

Увеличение количества полупроводников в одном корпусе достигается за счет уменьшения их физических размеров. В 2011 году фирма INTEL уже разработала 32 нм техпроцесс, при котором длина канала транзистора всего 20 нм. Однако, такое уменьшение не приносит ощутимого прироста тактовой частоты, как это было вплоть до 90 нм технологий. Совершенно очевидно, что пора переходить на что-то принципиально новое.

В настоящее время все более широкое применение в качестве основных ключевых приборов для мощной преобразовательной техники находят приборы на основе карбида кремния - мощные диоды Шоттки и MOSFET транзисторы. Карбид-кремниевая технология привнесла значительные усовершенствования в производство MOSFET, что сделало их конкурентами кремниевым IGBT-транзисторам, особенно в области высоких напряжений.

Рассмотрим 1200-В 4H-SiC MOSFET. В данном транзисторе используется высококачественная подложка, улучшено качество эпитаксиального слоя, оптимизирована конструкция под процесс производства. Также, посредством азотирования, увеличена подвижность носителей. Карбид-кремниевый транзистор превосходит кремниевые транзисторы за счет расширенной запрещенной зоны. Напряженность электрического поля, при которой происходит пробой, увеличилась в 10 раз, улучшилась теплопроводность, а, следовательно, возросли рабочие температуры. При использовании в полупроводниках с максимально допустимым рабочим напряжением 600 В и выше, карбид кремния также превосходит кремний. На сегодня 600-В и 1200-В карбид-кремниевые диоды Шоттки являются наилучшим решением в повы-шающих преобразователях. За счет более низких потерь на переключение по сравнению с кремниевыми PiN-диодами.
Если же речь идет о силовых ключах, то кремниевые MOSFET уступают 600- и 1200-В IGBT-транзисторам прежде всего из-за значительного сопротивления канала в открытом состоянии (RDSON), которое увеличивается пропорционально квадрату максимально допустимого напряжения сток-исток (VDSMAX). Сопротивление RDSON можно рассматривать как совокупность сопротивлений RJFET и RDRIFT (рис. 1).

Рис.1. Эквивалентная схема DMOSFET.

При этом сопротивление RDRIFT, отражающее дрейф свободных носителей, доминирует и его величина определяется следующим соотношением:

RDRIFT = d/qμND, где d — толщина дрейфового слоя; q — заряд электрона; ND — коэффициент легирования.

В новом поколении карбид-кремниевых MOSFET транзисторов толщина дрейфового слоя d уменьшена примерно в 10 раз; во столько же раз увеличен коэффициент N D . В результате сопротивление R DSON уменьшено почти в 100 раз по сравнению с его кремниевым аналогом.

ПРИМЕНЕНИЕ КАРБИД-КРЕМНИЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Применение приборов данного типа рассмотрим на примере 1200-В, 20-А транзистора с RDSON = 100 мОм и 15-В уровнем управления затвором. Помимо уменьшения сопротивления RDSON при нормальных условиях в карбид-кремниевых транзисторах значительно уменьшено влияние температуры. В диапазоне 25…150°С изменение сопротивления составляет всего лишь 20%, что является весьма малым значением по сравнению с аналогичным значением составляющим 200% или даже 300% у кремниевых MOSFET. В принципе карбид-Хотя максимально допустимую температуру серийных транзисторов (в основном размещаемых в пластмассовых корпусах ТО-247) ограничивают до 150°С, карбид-кремниевые транзисторы могут работать и при температуре свыше 200°С.
По сравнению с кремниевыми IGBT-транзисторами, карбид-кремниевые MOSFET имеют и существенно меньшие потери на коммутацию. MOSFET — униполярные приборы, поэтому не имеют «хвостов» при коммутации, обусловленных рассасыванием неосновных носителей. В таблице 1 отображены значения потерь на переключение обоих типов транзисторов.

Параметр	IGBT, 1200-B Infineon BSM 15 GD 120 DN2 ID (max) = 15 A при 80°С	DMOSFET 1200-B CREE engineering sample ID (max) = 15 A при 150 °С
Напряжение VDS, В
Индуктивная	Индуктивная (500 мкГн)
Напряжение управления VGE, В
Сопротивление затвора RG, Ом
Потери энергии при включении (коммутируемый ток 10 А), ЕON, мДж
Потери энергии при выключении (коммутируемый ток 10 А), ЕOFF, мДж
Максимальный кпд, ή
Евро-кпд* ήEUR0

Таблица 1. Потери на переключение кремниевых IGBT и карбид-кремниевых MOSFET.

Далее рассмотрим пример применения карбид-кремниевых MOSFET в трехфазных 7-кВт, 16,6-кГц инверторах солнечных батарей. Инвертор имеет топологию В6, разработанную в институте ISE, и использует конденсатор в цепи постоянного тока, соединяющийся с нейтральным проводом. На рисунке 2 показаны результаты сравнительных испытаний. Как видно из приведенных результатов, при использовании карбид-кремниевых транзисторов потери сокращаются почти в 2 раза. Значит уменьшается и температура теплоотвода: 93°С при использовании IGBT-транзисторов и 50°С — при использовании карбид-кремниевых MOSFET.

Рис.2. Сравнение потерь в 1200-В MOSFET и IGBT

Преимущества использования карбид-кремниевых MOSFET в фотоэлектрических преобразователях:
- низкая стоимость индуктивных компонентов. Размеры индуктивных компонентов зависят от частоты преобразования. Их стоимость уменьшается примерно на 50% при увеличении частоты преобразования в 2—3 раза. С увеличением частоты преобразования увеличивается и частота третьей гармоники, а уменьшить мощность третьей гармоники частотой 150 кГц гораздо проще, чем частотой 50 кГц;
- более низкие требования к теплоотводу. Использование карбид-кремниевых MOSFET позволяет уменьшить их температуру на 50%, что приведет к уменьшению размеров и, соответственно, стоимости всего изделия приблизительно на 5% в нашем примере;
- увеличение прибыли за счет сокращения потерь энергии.

На рисунке 3 показана стандартная схема трехфазного выпрямителя с изолированным DC/DC-преобразователем с коммутацией при нулевом токе. В качестве ключей S1, S2 в испытаниях были использованы 1200-В, 25-А IGBT-транзисторы, 1200-В, 40-А IGBT-транзисторы и 1200-В, 25-А карбид-кремниевые MOSFET. Результаты работы системы на максимальную нагрузку 3 кВт приведены на рисунке 4. Как видно, при работе с MOSFET КПД системы увеличивается на 2,2%. Корпус MOSFET имеет меньшую температуру: на 25°С ниже, чем 40-А IGBT и на 36°С ниже чем у 25-А IGBT.

Рис. 3. Трехфазный 3-кВт инвертор с большей величиной коэффициента мощности и с прямоходовым преобразователем Рис. 4. График изменения КПД в зависимости от выходной мощности при частоте преобразования 67 кГц.

Выше были показаны достоинства 1200-В MOSFET. Однако и при более высоких напряжениях — 6,5 кВ и даже выше карбид-кремниевые транзисторы также имеют преимущества перед их кремниевыми аналогами. Недавно был разработан 10-кВ, 10-А карбид-кремниевый MOSFET. При напряжении управления затвором 20 В и токе через канал 10 А падение напряжении на открытом канале составляет всего лишь 4,1 В, что эквивалентно сопротивлению 127 мОм/см2. Утечка тока сток-исток составляет 124 нА при напряжении 10 кВ.
В ходе проведения сравнительного эксперимента было установлено, что, при работе на индуктивную нагрузку, потери на переключение в карбид-кремниевом транзисторе в 200 раз меньше, чем в 6,5-кВ IGBT! Задержка включения составляет всего лишь 94 нс, а задержка на выключение — 50 нс; у IGBT — 1,4 мкс и 540 нс соответственно!
При использовании 10-кВ карбид-кремниевых MOSFET и диода Шоттки в повышающем преобразователе (входное напряжение — 500 В, выходное — 5 кВ) КПД 600-Вт преобразователя составил 91%. По итогам произведенных расчетов установлено, что та же схема с обычным кремниевым MOSFET могла бы работать лишь с частотой всего несколько сотен Гц. На рисунке 5 показаны графики токов и напряжений при выключении MOSFET. Из рисунка видно, насколько быстро протекают переходные процессы в приборе.

Рис. 5. Процесс коммутации 10-кВ карбид-кремниевого MOSFET при частоте 20 кГц и мощности преобразователя 600 Вт.

При возросшем интересе к альтернативным источникам энергии карбид-кремниевая технология имеет широкие перспективы. За счет снижения потерь мощности применение карбид-кремниевых транзисторов является привлекательным в фотоэлектрических преобразователях, а также в преобразователях генераторов энергии из органического топлива в будущем.