1.2.5. Dvipoliai tranzistoriai

Bendros žinios

 Tranzistorių klasifikacija

Tranzistoriais vadinami puslaidininkiniai prietaisai su viena ar keliomis pn sandūromis, tinkantys galiai stiprinti ir turintys tris (ar daugiau) išorinius išvadus. Labiausiai paplitę tranzistoriai turi dvi pn sandūras. Dviejų sandūrų tranzistoriuose panaudojami dviejų rūšių krūvininkai (elektronai ir skylės), todėl jie ir vadinami dvipoliais.

Pagrindinis dvipolio tranzistoriaus elementas yra puslaidininkio kristalas, kuriame, panaudojant priemaišas, sudarytos trys skirtingo laidumo zonos. Jei vidurinė zona yra n (elektroninio) laidumo, o dvi kraštinės – p (skylinio) laidumo, tai prietaisas vadinamas pnp struktūros tranzistoriumi. Npn struktūros tranzistorių vidurinė zona yra skylinio, o kraštinės – elektroninio laidumo.

 1pav.  Dvipolio tranzistoriaus schema:

            

Vidurinė puslaidininkio kristalo sritis 1, kurioje sudaromos pn sandūros, vadinama baze, kraštinė sritis 2, kuri injektuoja krūvininkus , - emiteriu, o sritis 3, surenkanti injektuotus krūvininkus, - kolektoriumi. Prie kiekvienos šių kristalo sričių prilituoti išoriniai išvadai – emiterio E, bazės B ir kolektoriaus K, - kuriais tranzistorius įjungiamas į schemą. Kristalas įtvirtintas specialiame laikiklyje ir hermetizuojamas metaliniu, plastmasiniu ar stikliniu korpusu. Išoriniai išvadai išvesti į korpuso išorę per izoliatorius.

Elektroninio ir skylinio laidumo sričių sandūra tarp emiterio ir bazės vadinama emiterine, o tarp bazės ir kolektoriaus – kolektorine sandūra. Tranzistoriaus bazės sritis daroma labai plona (nuo 1 iki 20mm). Įvairios tranzistoriaus sritys yra legiruotos nevienodai. Paprastai emiterio srities legiravimo laipsnis yra 2 – 3 eilėmis aukštesnis negu bazės srities. Bazės ir kolektoriaus sričių legiravimo laipsnis priklauso nuo prietaiso tipo.

2 pav.  Dvipolio tranzistoriaus sandara:

 1 - bazė, 2 – emiteris, 3 - kolektorius

 

 Elektroninio ir skylinio laidumo sričių sandūra tarp emiterio ir bazės vadinama emiterine, o tarp bazės ir kolektoriaus – kolektorine sandūra. Tranzistoriaus bazės sritis daroma labai plona (nuo 1 iki 20mm). Įvairios tranzistoriaus sritys yra legiruotos nevienodai. Paprastai emiterio srities legiravimo laipsnis yra 2 – 3 eilėmis aukštesnis negu bazės srities. Bazės ir kolektoriaus sričių legiravimo laipsnis priklauso nuo prietaiso tipo.

Kad tranzistorius veiktų, prie jo elektrodų reikia prijungti išorinių energijos šaltinių nuolatines įtampas. Be nuolatinių įtampų į elektrodus paduodami ir keitimui skirti signalai. Pagal tai skiriama įėjimo grandinė, į kurią signalas įvedamas, ir išejimo, - kurioje įjungiama apkrova ir išskiriamas signalas. Atsižvelgiant į tai, kuris tranzistoriaus elektrodas yra bendras įėjimo ir išėjimo grandinėms, tranzistorių įjungimo schemos skirstomos į bendrosios bazės BB, bendrojo emiterio BE ir bendrojo kolektoriaus BK.

Bendrosios bazės įėjimo grandinė yra emiterio, o išėjimo – kolektoriaus, bendrojo emiterio įėjimo grandinė yra bazės, o išėmimo kolektoriaus ir bendrojo kolektoriaus įėjimo grandinė yra bazės, o išėjimo – emiterio grandinė.

            Puslaidininkinių medžiagų laidumas labai priklauso nuo temperatūros. Todėl, kintant aplinkos temperatūrai, kinta tranzistorių savybės. Pavyzdžiui, atgalinė kolektoriaus srovė pasidaro dvigubai stipresnė, aplinkos temperatūrai pakilus 10 laipsniu.

Atsižvelgiant į įtampų, prijungtų prie tranzistoriaus emiterinės ir kolektorinės sandūrų poliškumą, skiriami aktyvinis, nukirtimo, soties ir inversinis režimai.

Aktyvinis režimas skirtas silpniems signalams stiprinti. Prie emiterinės sandūros prijungta tiesioginė įtampa, o prie kolektorinės – atgalinė. Emiteris injektuoja šalutinius krūvininkus į bazę, o kolektorius šiuos krūvininkus iš bazės srities ištraukia (ekstrahuoja).

Nukirtimo režimas. Prie abiejų sandūrų prijungtos atgalinės įtampos ir per jas teka labai silpnos srovės.

Soties režimas. Prie abiejų sandūrų prijungtos tiesioginės įtampos, krūvininkai injektuojami, tranzistorius veikia kaip dvigubasis diodas, išėjimo grandinės srovė maksimali esamai apkrovai ir nevaldoma įėjimo grandinės srove; tranzistorius visiškai atviras. Nukirtimo ir soties režimai paprastai naudojami elektroninių komutatorių schemose.

Inversinis režimas. Prie kolektorinės sandūros prijungta tiesioginė, o prie emiterinės - atgalinė įtampa. Emiteris ir kolektorius pasikeičia vaidmenimis. Toks tranzistorių įjungimas neatitinka normalių eksplotacijos sąlygų dėl sandūros asimetrijos ir nevienodos krūvininkų koncentracijos įvairiose srityse.  

             3 pav.  Dvipolių tranzistorių jungimo schemos: 

a – BB, b – BE, c - BK

 

            Panagrinėsime, kaip dirba tranzistorius aktyviniu režimu, įjungtas pagal bendrosios bazės schemą (3pav., a). Įjungus emiterio ir kolektoriaus maitinimo šaltinių įtampas, pasikeičia sandūrų potencialinės diagramos. Įtampa Eeb  pažemina emiterinės sandūros potencialinį barjerą, tuomet iš emiterio srities skylės pradeda injektuoti į bazę, o elektronai iš bazės į emiterio sritį. Kadangi pagrindinių krūvininkų koncentracija emiterio srityje 2-3 eilėmis didesnė negu bazėje, tai skylių į bazę injektuoja daugiau negu elektronų į emiterį. Emiterine sandūra teka bendra emiterio srovė Ie = Iep + Ien. Skylių nuotėkis iš emiterio kompensuojamas elektronų srautu, ištekančiu iš emiterio į išorinę grandinę.

            Dėl padidėjusios koncentracijos bazėje skylės difunduoja nuo emiterinės link kolektorinės sandūros. Dalis difunduojančių skylių rekombinuoja su bazės elektronais ir sukelia bazėje nestiprią rekombinacijos srovę Ib. Kad būtų mažesnė skylių rekombinacijos bazėje tikimybė, bazės srities storis (w < 0,25 mm) parenkamas mažesnis už skylių difuzijos kelio ilgį (germanyje L = 0,3 – 0,5 mm). 

            Tranzistoriai, kurių bazėse nėra elektrinio lauko, o krūvininkai juda tik dėl difuzijos, vadinami difuziniais tranzistoriais. Tranzistoriai, kuriuose dėl nevienodos priemaišų koncentracijos bazėje sukuriamas elektrinis laukas, verčiantis krūvininkus judėti (dreifuoti), vadinami dreifiniais.

            Išorinio šaltinio įtampa prie kolektorinės sandūros prijungta atgaline kryptimi. Šio šaltinio sukurtas elektrinis laukas stabdo pagrindinius ir gretina šalutinius krūvininkus. Jo veikiami šalutiniai krūvininkai – skylės – iš bazės nuslenka į kolektoriaus sritį. Skylių perteklių kolektoriuje kompensuoja elektronų srautas iš įtampos šaltinio Ekb, išorinėje kolektoriaus grandinėje taka srovė Ik. 

            Jei tranzistorius naudojamas stiprintuvo schemoje, be nuolatinio priešįtampio Eeb, į įėjimo gnybtus paduodama ir kintamoji signalo įtampa Uin, kurią stiprintuvas turi sustiprinti, o prie išėjimo gnybtų, be maitinimo šaltinio įtampos Ekb, prijungiama apkrova Ra. Kadangi atviros emiterinės sandūros varža yra nedidelė, tai nedideli emiterio potencialo pokyčiai Ue = Eeb + Uin (dėl įėjimo signalo Uin kitimo) sukelia didelius srovės pokyčius. Emiterio srovės pokyčiai nulemia srovės bei įtampos pokyčius ir išėjimo (kolektoriaus) grandinėje. Tinkamai parinkus rezistoriaus Ra reikšmę, išėjimo grandinėje galima gauti įtampos ir galios pokyčius gerokai didesnius negu įėjimo grandinėje. Taigi tranzistorius stiprina signalą, panaudodamas tam įtampos Ekb šaltinio energiją. Signalo įtampos stiprinimo efektyvumas išreiškiamas išėjimo ir įėjimo įtampų pokyčių santykiu: Ku = ΔUiš / ΔUin.

Žemojo dažnio tranzistoriai. 

Pnp struktūros germanio lydytiniai tranzistoriai MP39Б, MP40A, MP41A gaminami su metaliniais korpusais (1pav.,a-c), turinčiais lanksčius išvadus bei stiklinius izoliatorius, ir skirti žemojo dažnio stiprinimo schemoms.

 4 pav. Tranzistorių MП39Б, MП40А, MП41А cokoliuotė bei matmenys (a) ir jų bendros bazės schemos įėjimo (b) ir išėjimo (c) charakteristikos:

 

Šių tranzistorių masė – 2,5g, darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –60 iki +75 °C.

Pnp struktūros silicio tranzistoriai MP114, MP115, MP116 gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais stiklinius izoliatorius ir lanksčius išvadus (5 pav.).

5 pav.tranzistorių MП114 – MП116 cokoliuotė ir matmenys:

Jų darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –55 iki +100°C, masė – 1,7g.

Vidutinių dažnių tranzistoriai.

Pnp struktūros tranzistoriai KT203 (A, Б, B)skirti iki 5 MHz dažnio virpesiams stiprinti ir generuoti bei darbui komutatorių ir stabilizatorių schemose. Jie gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (6 pav).

6 pav. Tranzistorių KT203 A–B cokoliuotė  ir matmenys:

Šių tranzistorių darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –60 iki +125 °C, masė-0.5g.

Aukštojo dažnio tranzistoriai.

 Pnp struktūros konversiniai tranzistoriai ГT321 (A-E) gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (7pav., a).

7 pav. Tranzistorių konstrukcija ir pagrindiniai matmenys:

a–ГT321, b–ГЕ322, с–ГT323

 Šių tranzistorių darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –55 iki +60°C, masė –2g.

Pnp struktūros tranzistoriai ГT322 (A, Б, B) naudojami imtuvų aukštojo dažnio stiprintuvuose ir yra gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (4pav., b). ГT322 tipo tranzistorių darbo diapazonas yra nuo –40 iki +55°C, masė –0.6g. tranzistorių korpusas sujungtas su ketvirtuoju išvadu Korp ir gali būti panaudojamas ekranavimui.

Npn struktūros tranzistoriai ГT323 (A, Б, B) gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (7pav, c). Jų darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –55 iki +60°C, masė –2g.

Npn struktūros planariniai tranzistoriai KT312 (A, Б, B) gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (8 pav., a).

8pav. Tranzistorių KT312 ir KT315 cokoliuotė (a, d), įėjimo (b, e) ir išėjimo (c, f) charakteristikos:

 

Šių tranzistorių darbo temperatūrų diapazonas nuo –40 iki +85°C, masė –1g, įėjimo ir išėjimo charakteristikos nurodytos 8 pav., b, c.

Npn struktūros tranzistoriai KT315 (A-E) gaminami su plastmasiniais korpusais (8pav.,d). Jų darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –55 iki +100°C, masė –0.18g. Įėjimo ir išėjimo charakteristikos nurodytos 8 pav., e.

Pnp struktūros tranzistoriai KT347 (A, Б, B) gaminami su metaliniais korpusais (9pav.,a).

 9pav. Tranzistorių cokoliuotė ir matmenys:

a–KT347 (KT349, KT350, KT351), b–KT373

 

 Pnp struktūros tranzistoriai KT349 (A, Б, B) gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais laisvus išvadus (9 pav.,a). Jų darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –40 iki+85°C.

Pnp struktūros tranzistoriai KT350A gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (9 pav., a). Jie gali veikti temperatūrų intervale nuo –40 iki +85°C, jų masė-0.5g.

Pnp struktūros tranzistoriai KT351 (A, Б) gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (9 pav., a). Jų darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –40 iki +85°C, masė-0.5g.

Pnp struktūros tranzistoriai KT373 (А – Г) gaminami su plastmasiniais korpusais (9pav., b).

Jų darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –40 iki +85 °C, masė – 0,1 g.

Superaukštojo dažnio tranzistoriai.

 Pnp struktūros tranzistoriai ГТ328 (А, Б, В) naudojami metrinių bangų diapazono radijo ir televizijos imtuvų ASR ir gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (10 pav., a).

10 pav. Tranzistorių cokoliuotė ir matmenys:

a – ГТ 328 (ГТ 346), b – ГТ329

Jų darbo temperatūrų diapazonas nuo 40 iki +55 °C, masė – 2 g.

Npn struktūros tranzistoriai ГТ329 (А - Г) gaminami su metaliniais hermetiškais korpusais, turinčiais juostiškus išvadus (10pav., b). Jų darbo temperatūrų diapazonas –50  +60 °C, masė 2 g.

Pnp struktūros tranzistoriai ГТ346 (А, Б) naudojami decimetrinių bangų diapazono televizijos kanalų selektoriuose su ASR sistema ir yra gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (10 pav., a). šių tranzistorių darbo temperatūrų diapazonas –40 iki +55 °C, masė  - 1 g.

Npn struktūros tranzistoriai KT325 (A, Б, В) gaminami su metaliniais korpusais (11pav.,a), jų masė – 2,2 g. 

11 pav. Tranzistorių cokoliuotė ir pagrindiniai matmenys:

a – KT325, b – KT337 (KT363), d – ГT339, e – KT 345.

Darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –60 iki +125 °C.

Pnp struktūros tranzistoriai KT326 (A, Б) gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais išvadus (11 pav., b). Šių tranzistorių darbo temperatūrų diapazonas ura nuo –60 iki +125 °C, masė – 1 g.

 Pnp struktūros tranzistoriai KT337 (A, Б, В) gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (11 pav., c). Šių tranzistorių darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –40 iki +85 °C, masė – 0,5g,

Npn struktūros tranzistoriai KT339 (A – Д) naudojami I ir II klasės televizinių imtuvų tarpinio dažnio stiprintuvų išėjimo pakopose ir yra gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (11 pav., d). Šių tranzistorių darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –40 iki +85 °C, masė - 1 g.

Npn struktūros tranzistoriai KT342 (A – Г) gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (11 pav., c). Šių tranzistorių darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –60 iki +125 °C, masė – 0,5 g. 

Pnp struktūros tranzistoriai KT345 (A, Б, В) gaminami su plastmasiniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (11 pav., e). Jų darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –40 iki +85 °C, masė – 0,5 g. 

Pnp struktūros tranzistoriai KT363 (A, Б) gaminami su metaliniais korpusais, turinčiais lanksčius išvadus (11 pav., c). Jų darbo temperatūrų diapazonas yra nuo –40 iki +85 °C, masė – 0,5 g.

Charakteristikos

Statinės charakteristikos apibūdina ryšį tarp tranzistoriaus įėjimo bei išėjimo grandinių srovių ir įtampų. Tranzistorių savybės paprastai nustatomos iš bendrosios bazės ir bendrojo emiterio schemų įėjimo ir išėjimo charakteristikų šeimų.

1 pav.  BB schemos tranzistorių

statinės charakteristikos:

a – įėjimo. b – išėjimo

 

Pnp tranzistoriaus BB schemos įėjimo charakteristikos (1pav.,a) rodo emiterio srovės priklausomybę nuo emiterio – bazės įtampos, kai U(kb)=const. Kai tranzistorius dirba aktyviniu režimu, didinant įtampą U(eb), pažemėja emiterio sandūros potencialinis barjeras. Kartu stiprėja šalutinių krūvininkų injekcija į bazę ir emiterio srovė.

Bendrosios bazės schemos išėjimo charakteristikos (1pav.,b) rodo kolektoriaus srovės priklausomybę nuo jo įtampos. , kais I(e)=const. Kai tranzistorius dirba aktyviniu režimu (U(kb)<0), kolektoriaus grandinės srovė priklauso nuo šalutinių krūvininkų, injektuotų iš emiterio į bazę, kiekio. Stiprėjant emiterio srovei, stiprėja skylių, patenkančių į bazę ir pernešamų į kolektoriaus sritį, srautas, stiprėja ir kolektoriaus srovė. BB schemos išėjimo charakteristikoms būdinga tai, kad kolektoriaus srovė beveik nepriklauso nuo įtampos.

Pnp tranzistoriaus BE schemos įėjimo charakteristikos rodo bazės srovės priklausomybę, kais U(ke)=const. Didinant išorinę įtampą, didėja skylių koncentracija bazėje, kartu stiprėja emiterio ir kolektoriaus srovės. Didėjant pertekliniam skylių krūviui bazėje, didėja jų rekombinacijos tikimybė ir dėl to stiprėja bazės srovė.

Tranzistoriaus BE schemos išėjimo charakteristikos rodo kolektoriaus srovės priklausomybę, kai I(b)=const. Kai tranzistorius dirba aktyviniu režimu ir bazę (emiterio atžvilgiu) veikia neigiama įtampa, emiterine sandūra teka emiterio srovė, sukurta į bazę injektuotų šalutinių krūvininkų. Nedidelė dalis šių krūvininkų rekombinuoja ir sukuria teigiamą bazės srovę, o didžioji dalis išsiurbiama į kolektoriaus sritį ir sustiprina jo srovę. Dėl to išėjimo characteristics, išmatuotos esant stipresnėms bazės srovėms, pasižymi stipresnėmis kolektoriaus srovėmis. Pagal statines charakteristikas parenkamas stiprintuvų, komutacinių ir kitokių schemų tranzistorių darbo režimas. 

             Jeigu tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo įtampų ir srovių kintamosios dedamosios yra silpnos, tai jį galime laikyti tiesiniu aktyviuoju keturpoliu. Tuomet jo savybes galima nusakyti Z , Y arba H parametrais. Žemų dažnių srityje tranzistoriaus parametrai yra realūs dydžiai. Kai tranzistoriaus įtampų ir srovių kintamosios dedamosios harmoninės ir žinomi jo h parametrai, tranzistorių aprašanti lygčių sistema yra tokio pavidalo:

U1=h11I1+h12U2

I2=h21I1+h22U2

 Pagal šią lygčių sistemą tranzistorių galima pakeisti 2.2 paveiksle, a , atvaizduota ekvivalentine schema. Tačiau ši ekvivalentinė schema nepakankamai vaizdi. Pavyzdžiui, sakykime, kad tranzistorius yra įjungtas pagal bendrosios bazės schemą . Jeigu tranzistoriaus bazė plona, pasireiškia bazės srities varža bazės srovei. 2.2 paveikslo, a , ekvivalentinėje schemoje bazės varžos nėra, ji įvertinama per tranzistoriaus h parametrus.

Papildę tranzistoriaus ekvivalentinę schemą bazės varža, pastebėtume, kad ji yra ryšio tarp tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo grandinių elementas. Tuomet įvertindami, kad šiuolaikiniuose tranzistoriuose grįžtamasis ryšys esti silpnas (h12»0), iš ekvivalentinės schemos dalies, modeliuojančios tranzistoriaus įėjimo grandinę, galime pašalinti grįžtamojo ryšio įtampos šaltinį Taip samprotaudami ir dar įvertindami, kad h21B=-a(a – diferencinis emiterio srovės perdavimo koeficientas), 1 .2 paveikslo, a , ekvivalentinę schemą galime transformuoti į vaizdesnę T pavidalo ekvivalentinę schemą (2 pav., b), sudarytą iš vidinių tranzistoriaus parametrų – emiterio varžos  rE , bazės varžos  rB, kolektoriaus varžos rC ir srovės generatoriaus aIE .

2.2 pav.

Aukštų dažnių srityje pasireiškia tranzistoriaus sandūrų talpos. Be to, tranzistoriaus savybėms turi įtakos jo kolektoriaus srities tūrinė varža rc Papildyta šiais elementais tranzistoriaus ekvivalentinė schema atvaizduota 2.2 paveiksle, c .

Augant dažniui, emiterio efektyvumas mažėja dėl emiterio sandūros barjerinės talpos Ceb įtakos. Pagal ją aukštadažnę emiterio srovės sudaro dvi dedamosios. Srovė , tekanti per emiterio sandūros barjerinę talpą , nesukelia krūvininkų injekcijos į bazę. Todėl emiterio efektyvumo priklausomybė nuo dažnio galime įvertinti koeficientu KgE

Bazės efektyvumą, kaip žinome, riboja tai, kad ne visi į bazę iš emiterio injektuoti krūvininkai pasiekia kolektoriaus sandūrą – dalis jų rekombinuoja bazėje.

Aišku, kad, norint padidinti bazės efektyvumą , reikia mažinti rekombinacinę srovę. Norint gauti didesnį.bazės efektyvumą, reikia mažinti jos storį ir laiką, per kurį injektuoti į bazę krūvininkai įveikia bazę ir pasiekia kolektoriaus sandūrą . Kadangi paprastai elektronai judresni nei skylės, jų lėkio trukmė npn tranzistoriaus bazėje esti mažesnę nei skylių lėkio trukmė pnp tranzistoriaus tokio pat storio bazėje. Todėl, naudojant npn struktūrą, kaip žinome, galima pasiekti didesnį bazės efektyvumą.

Dreifiniuose tranzistoriuose, siekiant sumažinti laiką, per kurį krūvininkai įveikia bazę, bazėje sudaromas krūvininkus greitinantis elektrinis laukas.

Dėl to, kad injektuoti į bazę elektronai tik po laiko tB pasiekia kolektoriaus sandūrą , kolektoriaus srovės kintamoji dedamoji atsilieka nuo emiterio srovės. Tai turi neigiamos įtakos ir tranzistoriaus dažninėms savybėms – bazės efektyvumas, augant dažniui, mažėja.

Kuo didesnė krūvininkų lėkio bazėje trukmė tB, tuo didesnis joje susikaupia nepusiausvirųjų krūvininkų krūvis, vadinasi, pasireiškia didesnė emiterio sandūros difuzinė talpa CEd.)

Kolektoriaus sandūroje paprastai veikia stiprus elektrinis laukas, todėl pasiekę kolektoriaus sandūrą krūvininkai įveikia kolektoriaus sandūrą gana greitai ir nuostoliai dėl rekombinacijos esti maži. Taigi kolektoriaus efektyvumas žemų dažnių srityje yra artimas 1 (gC0 »1). Tačiau, augant dažniui, kolektoriaus efektyvumas mažėja. To priežastis – kolektoriaus sandūros barjerinė talpa.

Parametrai

Tranzistoriai apibūdinami nuolatinės srovės, silpnųjų signalų, dažniniais, stipriųjų signalų ir ribinių režimų parametrais.

 Nuolatinės srovės parametrai

Nusako nevaldomas sroves, tekančias tranzistorių pn sandūromis.

Atgalinė kolektoriaus srovė Ikb0, tekanti kolektoriaus – bazės sandūra, kai emiterio grandinė nutraukta, o sandūrą veikia tam tikro dydžio (paprastai maksimali leistinoji) įtampa.

Atgalinė emiterio srovė Ieb0, tekanti emiterio – bazės, kai kolektoriaus grandinė nutraukta, o sandūrą veikia tam tikro dydžio įtampa.

Atgalinė kolektoriaus – emiterio Ike0 (seniau buvo vadinama ptadine kolektoriaus srove) – kolektoriaus grandinės srovė, kai emiteris trumpai sujungtas su baze, o tarp kolektoriaus ir emiterio veikia tam tikro dydžio įtampa Uke.

Atgalinė kolektoriaus – emiterio grandinės srovė IkeR analogiška, kai tarp emiterio ir bazės įjungtas tam tikros varžos rezistorius.

Silpnųjų signalų režimo parametrai

 Nusako tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo grandinių srovių bei įtampų tarpusavio ryšius. Kadangi tranzistorių charakteristikos yra netiesinės, tai silpnųjų signalų parametrai priklauso nuo to, kaip parinktas pradinis režimas (darbo taškas).

 Silpnųjų signalų režimu dirbantį tranzistorių galima nagrinėti kaip aktyvinį tiesinį keturpolį, kurio išorinės įėjimo grandinės kintamoji srovė ir įtampa I1 ir U1, bei išėjimo grandinės kintamoji srovė ir  įtampa I2, U2 tarpusavyje surištos šia lygčių sistema: 

ΔU1 = h11ΔI1 + h12ΔU2 ;

ΔI2    = h21ΔI1  + h22ΔU2 .  

 Koeficientai h11, h12, h21, h22 atspindi tranzistoriaus elektrines savybes pasirinktame darbo taške, kai jį veikia žemo dažnio silpnas signalas, ir yra vadinami tranzistoriaus h parametrais. Šie parametrai nesunkiai nustatomi esant trumpai sujungtai išėjimo grandinei (ΔU2 = 0) ir esant atviriems įėjimo gnybtams (ΔI1 = 0).

Tranzistoriaus įėjimo varža esant trumpai sujungtai išėjimo grandinei

 h11 = ΔU1/ ΔI1, kai ΔU2 = 0.

Įtampos grįžtamojo ryšio koeficientas, esant atviriems įėjimo gnybtams, 

h12 = ΔU1/ΔU2,  kai ΔI1 = 0

Šis koeficientas rodo, kokia išėjimo grandinės signalo dalis patenka į išėjimo grandinę.

            Srovės perdavimo koeficientas  h21 = ΔI2/ ΔI1  rodo, kiek pakinta išėjimo grandinės srovė, tam tikru dydžiu pakeitus įėjimo grandinės srovę, kai ΔU2 = 0. Kai tranzistorius įjungtas pagal BB schemą, parametras h21 žymimas h21b, o kai pagal BE schemą, - h21e. Tarpusavyje šie parametrai surišti šiomis priklausomybėmis: 

h21e = -h21b / (1+ h21b);

h21b = -h21e / (1+ h21e).

            Išėjimo laidumas – išėjimo grandinės srovės pokyčio ir jį sukėlusio išėjimo grandinės įtampos pokyčio santykis, kai įėjimo gnybtai atviri, t. y. 

 h22 = ΔI2 / ΔU2, kai ΔI1 = 0.

Srovės perdavimo koeficientai nustatomi žemuosiuose dažniuose (50 – 1000Hz), kai galima nekreipti dėmesio į reaktyvinius laidumus,t.y. į fazės poslinkius tarp tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo įtampų bei srovių. Aukštuosiuose dažniuose šie dydžiai yra kompleksiniai, todėl čia tranzistoriaus stiprinimo savybės apibūdinamos srovės perdavimo koeficiento moduliu | h21b | arba | h21e |.

Kolektorinės sandūros talpa Ck – talpa tarp kolektoriaus ir bazės išvadų, kai emiterio grandinė nutraukta, o kolektorinę sandūrą veikia atgalinė įtampa.

Emiterinės sandūros talpa Ce – talpa tarp emiterio ir bazės išvadų, kai kolektorius atjungtas, o emiterinę sandūrą veikia atgalinė įtampa.

Grįžtamojo ryšio grandinės laiko konstanta τk aukštojo dažnio signalams. Skaitine reikšme ši konstanta lygi bazės varžos ir kolektorinės sandūros talpos sandaugai:

 τk = rbCk.

 Triukšmo koeficientas Kt – tariamosios triukšmų galios tranzistoriaus išėjimo grandinėje ir tos jos dalies, kurią sukuria apkrovoje šiluminiai signalo šaltinio triukšmai, santykis. Daugumos tranzistorių šis koeficientas yra mažiausias 1–10 kHz dažnių diapazone. Triukšmo koeficientas paprastai matuojamas esant 1 kHz dažnio signalui. Kylant temperatūrai, taip pat žemesnių ir aukštesnių kaip 1–10  kHz dažnių srityje triukšmo koeficientas didėja. Triukšmo koeficientas mažiausias ir tais atvejais, kai tranzistorius dirba silpnų kolektoriaus srovių (0,1-0,6 mA) ir mažų kolektoriaus įtampų (0,5-1,5 V) režimais.

Dažniniai parametrai

 Apibūdina tranzistorių darbą aukštųjų dažnių srityje.

Ribinis srovės perdavimo koeficiento h21b dažnis fh21b, arba h21e – fh21e, arba – signalo dažnis, kuriam esant srovės stiprinimo koeficiento reikšmė sumažėja iki 0,7, palyginti su žemojo dažnio  signalo stiprinimo koeficientu. Ribinis dažnis tiesiogiai nurodo, iki kokio dažnio gali dirbti tranzistorius. Jis tik riboja tą dažnių diapazoną, kuriame galima neatsižvelgti į tranzistoriaus parametrų dažninę priklausomybę.

Kraštinis srovės stiprinimo koeficiento dažnis fkr – signalo dažnis, kuriam esant tranzistoriaus, įjungto pagal bendrojo emiterio schemą, srovės stiprinimo koeficiento modulis lygus vienetui. Dažnių diapazone nuo 0,1 fkr iki fkr , pakitus dažniui du kartus, tiek pat pakinta ir srovės stiprinimo koeficiento modulis.

Maksimalus generuojamas dažnis fmax  MHz – aukščiausias dažnis signalo, kurį gali generuoti tranzistorius, įjungtas į autogeneratoriaus su optimaliu grįžtamuoju ryšiu schemą.

Stipriųjų signalų režimo parametrai

 Apibūdina tranzistorių darbą, kais jų elektrodų srovės ir įtampos kinta plačiose ribose. Šiais parametrais įvertinamos galios stiprintuvų, autogeneratorių ir impulsinių schemų tranzistorių darbo režimas.

Statinis srovės stiprinimo koeficientas yra lygus nuolatinių kolektoriaus ir bazės srovių santykiui.

Bazės – emiterio ir kolektoriaus – emiterio soties įtampos. Kai tranzistorius dirba soties režimu, abi tranzistoriaus pn sandūros yra laidžios. Judrūs krūvininkai suteikia bazės sričiai papildomą krūvį. Įjungiant ir išjungiant šiuo režimu dirbantį tranzistorių, reikia papildomo laiko pertekliniam krūviui sukaupti arba išsiurbti, dėl to mažėja perjungimo greitis.

Ribinių režimų parametrai

nurodo sąlygas patikimam tranzistorių darbui. Kad radiotechniniai įrenginiai, kuriuose naudojami tranzistoriai, veiktų, tai įtampos parenkamos ne didesnės kaip be sutrikimų, tranzistorių darbo srovės 0,8 jų maksimalių leistinųjų reikšmių. Maksimalios leistinos srovių, įtampų ir galios reikšmės nustato garantuotas patikimo tranzistorių veikimo ribas. Ribiniai režimai atitinka mažiausią patikimumą, todėl darbas, esant bent vienam ribiniam parametrui, nerekomenduojamas, o esant keliems ribiniams parametrams (pvz. srovei ir sklaidomajai galiai) – neleidžiamas.

Maksimali leistinoji kolektoriaus sklaidoma galia  (kai duota aplinkos arba korpuso temperatūra) – galia, kuriai esant tranzistorius nepažeidžiamas. Esant didesniai galiai, tranzistorius perkaista ir įvyksta šiluminis pramušimas. Esant aukštesnei aplinkos arba korpuso temperatūrai, maksimalią leistinąją sklaidomą galią būtina sumažinti. 

Maksimali leistinoji kolektorinės sandūros temperatūra – maksimali kolektoriaus sandūros temperatūra, kuriai esant tranzistorius veikia be sutrikimų. Kolektoriaus darbo temperatūra priklauso nuo kolektoriaus sklaidomosios galios, aplinkos temperatūros ir  šilumos nuvedimo sąlygų.

Maksimalios leistinosios įtampos nustatomos pagal atitinkamų pn sandūrų elektrinį atsparumą. Kai įtampos pasidaro didesnės už  šias reikšmes, sustiprėja srovės ir įvyksta elektrinis arba šiluminis sandūrų pramušimas.

Maksimalios leistinosios srovės nustatomos tam, kad dėl per didelio srovės tankio nesutriktų krūvininkų judėjimo mechanizmas puslaidininkyje.

Dvipolio tranzistoriaus T pavidalo ekvivalentinė schema ir dažniniai parametrai

 Jeigu tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo įtampų ir srovių kintamosios dedamosios yra silpnos, tai jį galime laikyti tiesiniu aktyviuoju keturpoliu. Tuomet jo savybes galima nusakyti Z , Y arba H parametrais. Žemų dažnių srityje tranzistoriaus parametrai yra realūs dydžiai. Kai tranzistoriaus įtampų ir srovių kintamosios dedamosios harmoninės ir žinomi jo h parametrai, tranzistorių aprašanti lygčių sistema yra tokio pavidalo:

U1=h11I1+h12U2

I2=h21I1+h22U2

 Pagal šią lygčių sistemą tranzistorių galima pakeisti 1.2 paveiksle, a , atvaizduota ekvivalentine schema. Tačiau ši ekvivalentinė schema nepakankamai vaizdi. Pavyzdžiui, sakykime, kad tranzistorius yra įjungtas pagal bendrosios bazės schemą . Jeigu tranzistoriaus bazė plona, pasireiškia bazės srities varža bazės srovei. 1 .2 paveikslo, a , ekvivalentinėje schemoje bazės varžos nėra, ji įvertinama per tranzistoriaus h parametrus.

Papildę tranzistoriaus ekvivalentinę schemą bazės varža, pastebėtume, kad ji yra ryšio tarp tranzistoriaus įėjimo ir išėjimo grandinių elementas. Tuomet įvertindami, kad šiuolaikiniuose tranzistoriuose grįžtamasis ryšys esti silpnas (h12»0), iš ekvivalentinės schemos dalies, modeliuojančios tranzistoriaus įėjimo grandinę, galime pašalinti grįžtamojo ryšio įtampos šaltinį Taip samprotaudami ir dar įvertindami, kad h21B=-a(a – diferencinis emiterio srovės perdavimo koeficientas), 1 .2 paveikslo, a , ekvivalentinę schemą galime transformuoti į vaizdesnę T pavidalo ekvivalentinę schemą (2 pav., b), sudarytą iš vidinių tranzistoriaus parametrų – emiterio varžos  rE , bazės varžos  rB, kolektoriaus varžos rC ir srovės generatoriaus aIE .

1.2 pav.

Aukštų dažnių srityje pasireiškia tranzistoriaus sandūrų talpos. Be to, tranzistoriaus savybėms turi įtakos jo kolektoriaus srities tūrinė varža  Papildyta šiais elementais tranzistoriaus ekvivalentinė schema atvaizduota 1 .2 paveiksle, c .

Pagal pilną T pavidalo ekvivalentinę schemą (1.2 pav., c) perdavimo koeficientas a nusako, kuri emiterio srovės kintamosios dedamosios dalis teka per kolektoriaus sandūrą. Įvertindami šią aplinkybė, toliau diferencinį emiterio srovės perdavimo koeficientą žymėsime aå  Žemų dažnių srityje jis išreiškiamas formule:

čia IC . – kolektoriaus (išėjimo) srovės pokytis, gaunamas emiterio (įėjimo) srovei pakitus IE Toliau nagrinėdami npn struktūros dvipolių tranzistorių, formulę galime perrašyti tokiu pavidalu:

čia  InE – emiterio elektroninė srovė; InC – srovės InC dedamoji, tekanti per kolektoriaus sandūrą ;gE0, gB0, gC0 – emiterio, bazės ir kolektoriaus efektyvumai;

Pagal šią, siekiant gauti didesnį (artimą 1) emiterio srovės perdavimo koeficientą aå, reikia didinti koeficientus gE, gB, gC

Emiterio srovę, kaip žinome, sudaro dvi dedamosios – elektroninė InE ir skylinė IpE. Pastaroji npn tranzistoriuje yra silpna ( InE <<I pE )

Praktikoje, siekiant, kad emiterio srovės elektroninė dedamoji būtų daug stipresnė už skylinę ir kad būtų didesnis npn tranzistoriaus emiterio efektyvumas, priemaišų koncentracija emiteryje parenkama daug didesnė nei bazėje (NAB >>NDE  ).

Augant dažniui, emiterio efektyvumas mažėja dėl emiterio sandūros barjerinės talpos Ceb įtakos. Pagal ją aukštadažnę emiterio srovės sudaro dvi dedamosios. Srovė , tekanti per emiterio sandūros barjerinę talpą , nesukelia krūvininkų injekcijos į bazę. Todėl emiterio efektyvumo priklausomybė nuo dažnio galime įvertinti koeficientu KgE

Bazės efektyvumą, kaip žinome, riboja tai, kad ne visi į bazę iš emiterio injektuoti krūvininkai pasiekia kolektoriaus sandūrą – dalis jų rekombinuoja bazėje.

Aišku, kad, norint padidinti bazės efektyvumą , reikia mažinti rekombinacinę srovę. Norint gauti didesnį.bazės efektyvumą, reikia mažinti jos storį ir laiką, per kurį injektuoti į bazę krūvininkai įveikia bazę ir pasiekia kolektoriaus sandūrą . Kadangi paprastai elektronai judresni nei skylės, jų lėkio trukmė npn tranzistoriaus bazėje esti mažesnę nei skylių lėkio trukmė pnp tranzistoriaus tokio pat storio bazėje. Todėl, naudojant npn struktūrą, kaip žinome, galima pasiekti didesnį bazės efektyvumą.Dreifiniuose tranzistoriuose, siekiant sumažinti laiką, per kurį krūvininkai įveikia bazę, bazėje sudaromas krūvininkus greitinantis elektrinis laukas.

Dėl to, kad injektuoti į bazę elektronai tik po laiko tB pasiekia kolektoriaus sandūrą , kolektoriaus srovės kintamoji dedamoji atsilieka nuo emiterio srovės. Tai turi neigiamos įtakos ir tranzistoriaus dažninėms savybėms – bazės efektyvumas, augant dažniui, mažėja.

Kuo didesnė krūvininkų lėkio bazėje trukmė tB, tuo didesnis joje susikaupia nepusiausvirųjų krūvininkų krūvis, vadinasi, pasireiškia didesnė emiterio sandūros difuzinė talpa CEd.)

Kolektoriaus sandūroje paprastai veikia stiprus elektrinis laukas, todėl pasiekę kolektoriaus sandūrą krūvininkai įveikia kolektoriaus sandūrą gana greitai ir nuostoliai dėl rekombinacijos esti maži. Taigi kolektoriaus efektyvumas žemų dažnių srityje yra artimas 1 (gC0 »1). Tačiau, augant dažniui, kolektoriaus efektyvumas mažėja. To priežastis – kolektoriaus sandūros barjerinė talpa.

 Dvipolių tranzistorių dažninių savybių priklausomybė nuo konstrukcijos

 Planariojo dvipolio tranzistoriaus maksimalų galios stiprinimo dažnį ir konstrukcijos parametrus sieja priklausomybė:

Pagal šia formulę dažnis fmax labiausiai priklauso nuo tranzistoriaus horizontaliojo matmens- emiterio ploęio bE.

Sandauga tr tå yra atvirkščiai proporcinga pagrindinių ir šalutinių krūvininkų judrumų sandaugai mnmp. kai priemaišų koncentracija bazėje maža, ši sandauga yra puslaidininkinės medžiagos parametras. Silicio mnmp=6.5 105, germanio –6.9 106, galio arsenido – 3.6 106 cm4/(Vs)2. Šie duomenys liudija, kad dvipolių tranzistorių bazėms iš paminėtų medžiagų geriausios yra germanis ir galio arsenidas.

Pagal šią formulę dažnis fmax priklauso nuo bazės storio. Dar būtina prisiminti, kad nuo bazės storio priklauso krūvininkų lėkio bazėje trukmė ir vėlinimo laikas tranzistoriuje tå. Taigi tranzistoriaus dažninių savybių priklausomybę nuo bazės storio lemia du veiksniai. Storėjant bazei, mažėja jos varža bazės srovei rB, tačiau didėja krūvininkų lėkio trukmė tB. jeigu injektuotų į bazę krūvininkų kryptingą link kolektoriaus lemia difuzija, krūvininkų lėkio bazėje trukmė tB proporcinga bazės storio kvadratui. Bazės varža rB atvirkščiai proporcinga bazės storiui. Todėl, kai bazė plonesnė, dvipolio tranzistoriaus dažninės savybės geresnės. Kartu būtina pastebėti, kad bazė negali būti pernelyg plona – kolektoriaus sandūra neturi susilieti su emiterio sandūra.

Pagal šią formulę maksimalus dažnis fmax dar priklauso nuo kolektoriaus sandūros storio . kai  kolektoriaus sandūra storesnė, dažnis fmax aukštesnis. Taip yra todėl, kad, didėjant kolektoriaus sandūros storiui, mažėja šios sandūros barjerinė talpa CC.