Реальные выходные вах транзистора,включенного по схеме с общей базой

Содержание

Содержание:

NPN против транзистора PNP

Транзисторы — это 3-х оконечные полупроводниковые устройства, используемые в электронике. В зависимости от внутренней работы и структуры транзисторы делятся на две категории: биполярные переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET). BJT были первыми, которые были разработаны в 1947 году Джоном Бардином и Уолтером Браттейном из Bell Telephone Laboratories. PNP и NPN — это всего лишь два типа транзисторов с биполярным переходом (BJT).

Структура BJT такова, что тонкий слой полупроводникового материала P-типа или N-типа помещен между двумя слоями полупроводника противоположного типа. Прослоенный слой и два внешних слоя создают два полупроводниковых перехода, отсюда и название транзистора с биполярным переходом. Биполярный транзистор с полупроводниковым материалом p-типа в середине и материалом n-типа по бокам известен как транзистор типа NPN. Точно так же BJT с материалом n-типа в середине и материалом p-типа по бокам известен как транзистор PNP.

Средний слой называется основанием (B), а один из внешних слоев называется коллектором (C), а другой эмиттером (E). Переходы называются переходом база-эмиттер (B-E) и переходом база-коллектор (B-C). База слабо легирована, а эмиттер сильно легирован. Коллектор имеет относительно более низкую концентрацию легирования, чем эмиттер.

При работе, как правило, переход BE смещен в прямом направлении, а переход BC — в обратном направлении с гораздо более высоким напряжением. Поток заряда обусловлен диффузией носителей через эти два перехода.

Подробнее о транзисторах PNP

Транзистор PNP построен из полупроводникового материала n-типа с относительно низкой концентрацией легирующей донорной примеси. Эмиттер легирован более высокой концентрацией акцепторной примеси, а коллектор имеет более низкий уровень легирования, чем эмиттер.

В процессе работы соединение BE смещается в прямом направлении за счет приложения более низкого потенциала к базе, а переход BC смещается в обратном направлении, используя гораздо более низкое напряжение на коллекторе. В этой конфигурации транзистор PNP может работать как переключатель или усилитель.

Основной носитель заряда PNP-транзистора, дырки, имеет относительно низкую подвижность. Это приводит к более низкой скорости частотной характеристики и ограничению тока.

Подробнее о транзисторах NPN

Транзистор типа NPN построен на полупроводниковом материале p-типа с относительно низким уровнем легирования. Эмиттер легирован донорной примесью с гораздо более высоким уровнем легирования, а коллектор легирован более низким уровнем, чем эмиттер.

Конфигурация смещения NPN-транзистора противоположна PNP-транзистору. Напряжения меняются местами.

Основным носителем заряда типа NPN являются электроны, которые обладают большей подвижностью, чем дырки. Следовательно, время отклика транзистора типа NPN относительно меньше, чем у транзистора типа PNP. Следовательно, транзисторы типа NPN чаще всего используются в устройствах, связанных с высокими частотами, и их простота изготовления, чем PNP, делает их в основном используемыми из двух типов.

В чем разница между NPN и PNP транзистором?

Транзисторы PNP имеют коллектор и эмиттер p-типа с базой n-типа, а транзисторы NPN имеют коллектор и эмиттер n-типа с базой p-типа.

Большинство носителей заряда PNP — это дырки, а в NPN — электроны.

При смещении используются потенциалы противоположные по отношению к другому типу.

NPN имеет более быстрое время частотной характеристики и больший ток через компонент, в то время как PNP имеет низкую частотную характеристику с ограниченным током.

Ток коллектора

В начале вопрос: может ли быть ток коллектора бесконечно большим? Теоретически, увеличением тока базы, вы можете свободно увеличивать ток коллектора.

Тем не менее, в той или иной схеме максимальный ток коллектора транзистора только в состоянии насыщении и, главное, не определяется транзистором, а только напряжением питания и сопротивлением нагрузки. При снижении сопротивления нагрузки увеличивается ток.

Как вы догадались, этот ток нельзя увеличивать произвольно. Каждый транзистор имеет максимальный ток коллектора, обозначается в каталогах производителей — ICmax.

Значение этого тока, зависит от конструкций и толщины переходов транзистора.

При протекании тока через сопротивление, выделяется тепло. Вы наверное, догадываетесь, или, может быть, вы видели своими глазами, что связи между слоями кремния транзистора и проводники сделаны из тонкой проволоки. Хотя ее часто делают из золотой проволоки, они при избыточном токе ведут себя как самые обычные предохранители – разогреваются и перегорают.

Не только проводники. Кремниевая структура транзистора так же имеет не большие геометрические размеры. Если пропустить большой ток через эту структуру имеющую малое сечение, мы получим, ток очень большой плотности. Не забывайте, мы имеем дело с чувствительной структурой полупроводника и чрезмерное увеличение плотности тока приводит не только к повышению температуры, а также целый ряд других негативных явлений. Я буду говорить только об уменьшении коэффициента усиления по току (β) с ростом тока коллектора.

Таким образом. Ограничение коллекторного тока производителем обосновано допустимой плотностью тока, и температурой плавления структуры, вы не можете ее превышать.

Если вы думаете о мгновениях, то можно придти к выводу, что если транзистор будет работать в импульсном режиме, открылся, пропустил ток только на короткое мгновение, за это мгновение структура не успевает разогреться и расплавиться. Таким образом, ток в импульсе может быть и больше максимальной ток в не прерывном режиме.

Вы правы! В каталогах часто приводят максимальном токе коллектора при непрерывной работе и максимальный ток коллектора для импульса. Вы можете это увидеть в характеристиках силового транзистора.

Но сейчас, мы не будем связываться с этим вопросом. Как вы думаете или если не превышать ток Icmax каталога, и напряжения UCEmax, ваш транзистор не находится в опасности?

Принцип действия

Полупроводники занимают промежуточное состояние между проводниками и диэлектриками. В обычном состоянии они не проводят электрический ток, но их сопротивление падает с ростом температуры. Чем она выше, тем больше энергии, которую получает вещество.

В атомах полупроводника электроны отрываются от «родительского» атома и улетают к другому, чтобы заполнить там «дырку», которую оставил такой же электрон. Получается, что внутри такого материала одновременно происходят два процесса: полет электронов (n-проводимость, от слова negative – отрицательный), и образование «дырок» (p-проводимость от слова positive – положительный). В обычном куске кремния эти процессы уравновешены: количество дырок равно количеству свободных электронов.

Если два таких материала приложить друг к другу, то в месте их соприкосновения образуется так называемый p-n переход. Дырки и электроны проходят через него, насыщая соседа. То есть там, где был избыток дырок, идет их заполнение электронами и наоборот.

В какой-то момент в месте соприкосновения не останется свободных носителей заряда и наступит равновесие. Это своего рода барьер, который невозможно преодолеть, этакая пустыня. Этот слой принято называть обедненным слоем.

Теперь, если приложить к такому материалу напряжение, то оно поведет себя интересным образом: при прямой его направленности обедненный слой истончится и через него пойдет электроток, а при обратном – наоборот, расширится.

Как говорится, если для чайников, то p-n переход обладает способностью пропускать ток только в одном направлении. Это своего рода «обратный клапан» для электрической сети. На этом их свойстве основана работа всех полупроводниковых приборов.

Существует две основные разновидности транзисторов: полевые (иногда их называют униполярными) и биполярными. Различаются они по устройству и принципу действия.

Типы транзисторов

В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.

В таблице ниже представлена цветовая маркировка транзисторов:

Цветовая маркировка транзисторов

Биполярные транзисторы

Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами.

В биполярном транзисторе используют кристалл из германия или кремния — основных полупроводниковых материалов, применяемых для изготовления транзисторов и диодов. Поэтому и транзисторы называют одни кремниевыми, другие — германиевыми. Для обоих разновидностей биполярных транзисторов характерны свои особенности, которые обычно учитывают при проектировании устройств.

Слово “транзистор” составлено из слов TRANSfer и resISTOR – преобразователь сопротивления. Он пришел на смену лампам в начале 1950-х. Это прибор с тремя выводами, используется для усиления и переключения в электронных схемах.

Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость).

Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой. Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.

Классификация биполярных транзисторов.

Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам. Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.

Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.

Включение в цепь n-р-n и р-n-р транзисторов отличается только полярностью напряжения на коллекторе и смещения. Кремниевые и германиевые транзисторы одной и той же структуры отличаются между собой лишь значением напряжения смещения. У кремниевых оно примерно на 0,45 В больше, чем у герма ниевых.

Устройство и принцип действия

Транзистор — электронный полупроводник, состоящий из 3 электродов, одним из которых является управляющий. Транзистор биполярного типа отличается от полярного наличием 2 типов носителей заряда (отрицательного и положительного).

Отрицательные заряды представляют собой электроны, которые высвобождаются из внешней оболочки кристаллической решетки. Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона.

Устройство биполярного транзистора (БТ) достаточно простое, несмотря на его универсальность. Он состоит из 3 слоев проводникового типа: эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К).

Эмиттер (от латинского «выпускать») — тип полупроводникового перехода, основной функцией которого является инжекция зарядов в базу. Коллектор (от латинского «собиратель») служит для получения зарядов эмиттера. База является управляющим электродом.

Слои эмиттерный и коллекторный почти одинаковые, однако отличаются степенью добавления примесей для улучшения характеристик ПП. Добавление примесей называется легированием. Для коллекторного слоя (КС) легирование выражено слабо для повышения коллекторного напряжения (Uк). Эмиттерный полупроводниковый слой легируется сильно для того, чтобы повысить обратное допустимое U пробоя и улучшить инжекцию носителей в базовый слой (увеличивается коэффициент передачи по току — Kт). Слой базы легируется слабо для обеспечения большего сопротивления (R).

Переход между базой и эмиттером меньший по площади, чем К-Б. Благодаря разнице в площадях и происходит улучшение Кт. При работе ПП переход К-Б включается со смещением обратного типа для выделения основной доли количества теплоты Q, которое рассеивается и обеспечивает лучшее охлаждение кристалла.

Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя (БС). Эта зависимость является величиной, изменяющейся по обратно пропорциональному соотношению. При меньшей толщине — большее быстродействие. Эта зависимость связана с временем пролета носителей заряда. Однако при этом снижается Uк.

Между эмиттером и К протекает сильный ток, называемый током К (Iк). Между Э и Б протекает ток маленькой величины — ток Б (Iб), который используется для управления. При изменении Iб произойдет изменение Iк.

У транзистора два p-n перехода: Э-Б и К-Б. При активном режиме Э-Б подключается со смещением прямого типа, а подключение К-Б происходит с обратным смещением. Так как переход Э-Б находится в открытом состоянии, то отрицательные заряды (электроны) перетекают в Б. После этого происходит их частичная рекомбинация с дырками. Однако большая часть электронов достигает К-Б из-за малой легитивности и толщины Б.

В БС электроны являются неосновными носителями заряда, и электромагнитное поле помогает им преодолеть переход К-Б. При увеличении Iб произойдет расширение открытия Э-Б и между Э и К пробежит больше электронов. При этом произойдет существенное усиление сигнала низкой амплитуды, т. к. Iк больше, чем Iб.

Watch this video on YouTube

Для того чтобы проще понять физический смысл работы транзистора биполярного типа, нужно ассоциировать его с наглядным примером. Нужно предположить, что насос для закачки воды является источником питания, водопроводный кран — транзистором, вода — Iк, степень поворота ручки крана — Iб. Для увеличения напора нужно немного повернуть кран — совершить управляющее действие. Исходя из примера можно сделать вывод о простом принципе работы ПП.

Однако при существенном увеличении U на переходе К-Б может произойти ударная ионизация, следствием которой является лавинное размножение заряда. При комбинации с тоннельным эффектом этот процесс дает электрический, а с увеличением времени и тепловой пробой, что выводит ПП из строя. Иногда тепловой пробой наступает без электрического в результате существенного увеличения тока через выход коллектора.

Кроме того, при изменении U на К-Б и Э-Б меняется толщина этих слоев, если Б тонкая, то происходит эффект смыкания (его еще называют проколом Б), при котором происходит соединение переходов К-Б и Э-Б. В результате этого явления ПП перестает выполнять свои функции.

Как работает полевой транзистор? Пояснение для чайников

Строение полевого транзистора отличается от биполярного тем, что ток в нём не пересекает зоны p-n перехода. Заряды движутся по регулируемому участку, называемому затвором. Пропускная способность затвора регулируется напряжением.

Пространство p-n зоны уменьшается или увеличивается под действием электрического поля (см. Рис. 9). Соответственно меняется количество свободных носителей зарядов – от полного разрушения до предельного насыщения. В результате такого воздействия на затвор, регулируется ток на электродах стока (контактах, выводящих обработанный ток). Входящий ток поступает через контакты истока.

Рисунок 9. Полевой транзистор с p-n переходом

По аналогичному принципу работают полевые триоды со встроенным и индуцированным каналом. Их схемы вы видели на рисунке 5.

Схемы включения полевого транзистора

На практике применяют схемы подключений по аналогии с биполярным триодом:

с общим истоком – выдаёт большое усиление тока и мощности;
схемы с общим затвором обеспечивающие низкое входное сопротивление, и незначительное усиление (имеет ограниченное применение);
с общим стоком, работающие так же, как и схемы с общим эмиттером.

На рисунке 10 показаны различные схемы включения.

Рис. 10. Изображение схем подключения полевых триодов

Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях.

Основные параметры

Коэффициент передачи по току.
Входное сопротивление.
Выходная проводимость.
Обратный ток коллектор-эмиттер.
Время включения.
Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
Обратный ток коллектора.
Максимально допустимый ток.
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

коэффициент усиления по току α;
сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:
- r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
- r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
- r_б — поперечное сопротивление базы.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2;

I_m2 = h₂₁I_m1 + h₂₂U_m2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I_m1 = I_mб, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mб-э, U_m2 = U_mк-э. Например, для данной схемы:

h_21э = I_mк/I_mб = β.

Для схемы ОБ: I_m1 = I_mэ, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mэ-б, U_m2 = U_mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

h11∍=rδ+r∍1−α{\displaystyle h_{11\backepsilon }=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}};

h12∍≈r∍rκ(1−α){\displaystyle h_{12\backepsilon }\approx {\frac {r_{\backepsilon }}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}};

h21∍=β=α1−α{\displaystyle h_{21\backepsilon }=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}};

h22∍≈1rκ(1−α){\displaystyle h_{22\backepsilon }\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}}.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C_к. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода C_э также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода r_э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе.
Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τ_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ_ф. Временем включения транзистора называется τ_вкл = τ_з + τ_ф.

Биполярный транзистор в схеме с ОБ

1.
Цель и содержание работы

Целью работы является изучение принципа действия,
основных параметров и статических вольтамперных характеристик (ВАХ) биполярного
транзистора в схеме с общей базой (ОБ). В работе снимаются входные, выходные и
передаточные ВАХ германиевых и кремниевых транзисторов. По характеристикам определяется
основные параметры.

1.
Характеристики и параметры биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой трёхэлектродный полупроводниковый
прибор на основе p-n-p или n-p-n структуры, предназначенный для усиления и генерации
электрических сигналов. Процессы в p-n-p и n-p-n структурах протекают аналогично. Например, в р-п-р
структуре n-область, разделяющая p-области,
называется базой, одна из p-областей – эмиттером, а другая – коллектором
(рис. 3.1).

В основном рабочем режиме – активном, эмиттерный переход
смещен в прямом направлении, коллекторный – обратном. Полярности внешних напряжений
в схеме с ОБ для p-n-p или n-p-n транзисторов показаны на рис. 3.2. Эмиттер легирован
значительно сильнее, чем база, поэтому при включении его в прямом направлении
ток эмиттера в p-n-p- транзисторе представляет собой ток инжекции дырок в базу.
Инжектированные дырки диффундируют к коллектору. Так как ширина базы много меньше диффузионной длины дырок , то большая часть дырок доходит до обратно
смещенного коллектора, захватывается его полем и переносится в коллектор,
образуя коллекторный ток.

Рис. 3.1. Структура биполярного p-n-p транзистора

а)
б)

Рис.
3.2. Полярности
на p-n-p (а) и n-p-n (б) транзисторах
для нормального включения

Поскольку коллектор включен в обратном направлении, то его
ток определяется только дырками, дошедшими из эмиттера, и почти не зависят от
напряжения на коллекторе. Коллектор обладает большим выходным сопротивлением и
по отношению к внешней цепи является генератором тока .
Высокое выходное сопротивление коллекторного перехода позволяет включить в его
цепь достаточно большое сопротивление нагрузки, на котором выделяется мощность,
значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Энергия источника
питания с помощью транзистора преобразуется в энергию электрического сигнала.

2.1. Коэффициент передачи тока

При = 0 через коллекторный переход
идет некоторый начальный обратный ток ,
обусловленный тепловой генерацией электронно-дырочных пар.

Коэффициент передачи тока показывает
отношение коллекторного тока (без ) к эмиттерному.

, так как обычно (3.1)

Величина зависит от параметров
базы и эмиттера, она обычно близка к единице и составляет около 0,95…..0,98.

Закон Кирхгофа для токов в транзисторе выражается соотношением

, что позволяет, используя (3.1),
представить ток базы и в виде:

= (3.2)

(3.3)

Основную долю базового тока составляет ток рекомбинации,
пропорциональный общему избыточному заряду дырок в базе

, (3.4)

где – время
жизни дырок в базе.

На рис. 3.3 показано распределение дырок в базе для двух
напряжений на коллекторном переходе. Распределение дырок в базе подчиняется
уравнению непрерывности и граничным условиям Шокли у эмиттерного перехода

, (3.5)

где — равновесная концентрация
дырок в n-базе;

– собственная
концентрация;

–
концентрация доноров в базе.

На коллекторном переходе

Так как в нормальном режиме и , то , а . Ток дырок в базе имеет
диффузионный характер, поэтому

, (3.6)

где –
площадь эмиттерного перехода.

Так как рекомбинация в тонкой
базе незначительна, то

Распределение дырок в базе имеет
почти линейный вид (рис.3.3)

, (3.7)

а заряд дырок , проходящих сквозь базу, пропорционален
заштрихованной на рис. 3.3 площади

(3.8)

Рис. 3.3. Распределение дырок в базе p-n-p транзистора

в активном нормальном режиме

Коэффициент передачи тока с
учетом (4.3) и (4.4) принимает вид

, поскольку (3.9)

Это выражение правильно передаёт зависимость коэффициента передачи
от толщины базы и времени жизни дырок в ней, но не учитывает вкладов электронных
токов эмиттерного и коллекторного переходов.

2.2. Вольтамперные характеристики транзистора

При включении транзистора по схеме с ОБ входным током будет
ток эмиттера , выходным — ток коллектора , входным напряжением — напряжение на
эмиттерном переходе , выходным — напряжение на
коллекторном переходе (рис. 3.2).

Входные ВАХ показаны на рис. 3.4.а. Они почти повторяют ВАХ
прямосмещенного эмиттерного перехода

где —
обратный ток эмиттерного перехода.

Выходные характеристики показаны
на рис. 3.4б.

а) б)

Рис. 3.4. Вольтамперные характеристики
транзистора в схеме с ОБ:

а) – входные; б) — выходные

При выходная ВАХ представляет собой
перевернутую характеристику коллекторного перехода с током насыщения . При к нему прибавляется ток
. Полный ток коллектора составляет

(3.10)

Квантовая механика

В нерелятивистской квантовой механике , то коэффициент пропускания и связанной с коэффициентом отражения , используются для описания поведения волн , падающих на барьер. Коэффициент передачи представляет собой поток вероятности прошедшей волны относительно потока падающей волны. Этот коэффициент часто используется для описания вероятности туннелирования частицы через барьер.

Коэффициент передачи определяется в терминах плотности падающего и прошедшего вероятностного тока J согласно:

Т знак равно J → т р а п s ⋅ п ^ J → я п c ⋅ п ^ , {\ displaystyle T = {\ frac {{\ vec {J}} _ {\ mathrm {trans}} \ cdot {\ hat {n}}} {{\ vec {J}} _ {\ mathrm {inc}} \ cdot {\ hat {n}}}},}

где — ток вероятности в волне, падающей на барьер с нормальным единичным вектором, и — ток вероятности в волне, удаляющейся от барьера на другой стороне.
J → я п c {\ displaystyle {\ vec {J}} _ {\ mathrm {inc}}} п ^ {\ Displaystyle {\ шляпа {п}}} J → т р а п s {\ displaystyle {\ vec {J}} _ {\ mathrm {trans}}}

Аналогично определяется коэффициент отражения R :

р знак равно J → р е ж л ⋅ ( — п ^ ) J → я п c ⋅ п ^ знак равно | J р е ж л | | J я п c | {\ displaystyle R = {\ frac {{\ vec {J}} _ {\ mathrm {refl}} \ cdot \ left (- {\ hat {n}} \ right)} {{\ vec {J}} _ {\ mathrm {inc}} \ cdot {\ hat {n}}}} = {\ frac {| J _ {\ mathrm {refl}} |} {| J _ {\ mathrm {inc}} |}}}

Закон полной вероятности требует того , что в одном измерении сводится к тому, что сумма переданного и отраженного токов равна по величине падающему току.
Т + р знак равно 1 {\ displaystyle T + R = 1}

Примеры расчетов см. В прямоугольном потенциальном барьере .

Приближение ВКБ

Используя приближение ВКБ, можно получить коэффициент туннелирования, который выглядит как

Т знак равно exp ⁡ ( — 2 ∫ Икс 1 Икс 2 d Икс 2 м ℏ 2 ( V ( Икс ) — E ) ) ( 1 + 1 4 exp ⁡ ( — 2 ∫ Икс 1 Икс 2 d Икс 2 м ℏ 2 ( V ( Икс ) — E ) ) ) 2 , {\ displaystyle T = {\ frac {\ displaystyle \ exp \ left (-2 \ int _ {x_ {1}} ^ {x_ {2}} dx {\ sqrt {{\ frac {2m} {\ hbar ^ {) 2}}} \ left (V (x) -E \ right)}} \, \ right)} {\ displaystyle \ left (1 + {\ frac {1} {4}} \ exp \ left (-2 \ int _ {x_ {1}} ^ {x_ {2}} dx {\ sqrt {{\ frac {2m} {\ hbar ^ {2}}} \ left (V (x) -E \ right)}} \ , \ right) \ right) ^ {2}}} \,}

где — две классические точки поворота потенциального барьера. В классическом пределе всех других физических параметров, намного превышающих постоянную Планка, сокращенно обозначаемую как , коэффициент передачи стремится к нулю. Этот классический предел потерпел бы неудачу в случае квадратного потенциала .
Икс 1 , Икс 2 {\ Displaystyle х_ {1}, \, х_ {2}} ℏ → {\ displaystyle \ hbar \ rightarrow 0}

Если коэффициент передачи намного меньше 1, его можно аппроксимировать следующей формулой:

Т ≈ 16 E U ( 1 — E U ) exp ⁡ ( — 2 L 2 м ℏ 2 ( U — E ) ) {\ displaystyle T \ приблизительно 16 {\ frac {E} {U_ {0}}} \ left (1 — {\ frac {E} {U_ {0}}} \ right) \ exp \ left (-2L {\ sqrt {{\ frac {2m} {\ hbar ^ {2}}} (U_ {0} -E)}} \ right)}

где — длина барьерного потенциала.
L знак равно Икс 2 — Икс 1 {\ displaystyle L = x_ {2} -x_ {1}}

Вольт-амперные характеристики

Статические стоковые характеристики полевого транзистора с управляющим p-n переходом (рис.1 )
представляет собой график зависимости тока стока (Ic ) от напряжения между стоком истоком (Ucи) при различных напряжениях на затворе (Uзи).
При Uзи = 0 и малых значениях Uси ток стока увеличивается до тока насыщения
Iс нас. в точке В . Дальше при увеличении Uси токIc остается почти неизменным и только при достижении напряжения определенного значения Ucи

возникает лавинообразный электрический пробой стокового участка p-n перехода и Ic резко возрастает в

точке Д .

При подаче некоторого отрицательного напряжения на затвор (Uзи) p-n переход начинает расширяться и

перекрывать токопроводящий канал, который сужается до меньшего сечения, что приводит к увеличению сопротивления между истоком и стоком.

Это вызывает снижение значений тока насыщения Ic нас. и Uси нас.
В этом случае напряжение пробоя уже не будет равно Uси, как при Uзи = 0, а к нему на

стоковом участке p-n перехода прибавляется обратное напряжение управления Uзи: Uси проб. = Uси + | Uзи |, т.е.

общее напряжение пробоя остается постоянным при разных напряжениях стокового и смещения. Такие же характеристики с пробоем будут

иметь и все остальные полевые транзисторы.Статическая стоко-затворная характеристика полевого транзистора с управляющим p-n переходом приведена на рис.2. Так-как полевые транзисторы обычно работают в режиме насыщения, поэтому стоко-затворную характеристику

рассматривают в этом режиме.

Параболическая линия этой характеристики проходит через точки насыщения (рис.1, пунктирная линия через точки А и В). Самый большой ток

Iс нач. будет при Uзи = 0, а минимальный остаточный ток Ic

ост., имеющий значение в несколько микроампер — при напряжении отсечки (Uзи отс).

Статические стоковые характеристики полевого МДП — транзистора с индуцированным каналом n-типа приведены на

рис.3.
При отсутствии напряжения на затворе или при напряжении | Uзи | ≤ | Uзи.пор | полевой транзистор находится в закрытом

состоянии (Ic = Ic.ост) , т.к. между истоком и стоком будет сопротивление двух p-n переходов, включенных в

противоположном направлении.

К сведению: металлический затвор и область канала из кремния, разделенные изолирующим слоем двуокиси кремния (стеклом), образуют

конденсатор.
При увеличении положительного Uзи > Uзи.пор возле затвора образуется n-канал с электронной

проводимостью и ток стока возрастает.

Статическая стоково-затворная характеристика полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа (рис.4 ) на

начальном участке аналогична полевому транзистору с p-n переходом. Разница только в том, что начальный участок при минимальном

(абсолютном) пороговом значении Uзи.пор соответствует наименьшему значению стокового тока — остаточному току

Ic.ост .

Статические стоковые характеристики полевого МДП — транзистора с встроенным каналом n-типа (рис.5) при подаче на затвор отрицательного напряжения аналогичны характеристикам полевого транзистора с р-n переходом. В

этом случае в канале индуцируют положительные заряды и сужают его, увеличивая его сопротивление. Это приводит к

уменьшению стокового тока Ic .
При подаче на затвор положительного напряжения электроны будут притягиваться из подложки в канал уменьшая его сопротивление, и прибор

станет работать как МДП — транзистор с индуцированным каналом.Статическая стоково-затворная характеристика полевого МДП — транзистора с встроенным каналом показана на рис.6 .
В области 1 он работает в режиме управляющего р-n перехода, а в области 2 —

в режиме с индуцированным каналом.

Cледующая >>

Основные параметры и характеристики биполярного транзистора