Разновидности диодов. Параметры диодов

Промышленность выпускает огромное количество разновидностей диодов. Они отличаются материалом ПП (германий, кремний, арсенид галлия), технологией изготовления перехода, назначением, параметрами, особенностями конструкции.

Рассмотрим классификацию диодов по назначению. В СЭО и судовой автоматике (и вообще в промышленном ЭО и в промышленной автоматике) наиболее широко применяются следующие разновидности:

– выпрямительные;	– стабилитроны;
– импульсные;	– излучающие диоды;
– варикапы;	– фотодиоды.

[Кроме названных, выпускаются также СВЧ-диоды, туннельные диоды, магнитодиоды, генераторы шума и др.]

Главное, чем характеризуется каждый тип диода – это ВАХ и набор параметров. Для разработки устройств, содержащих диоды, для поиска неисправностей, для подбора замены необходимо очень хорошо представлять характеристики и параметры каждого вида ППП.

Для диодов (как и для любых ППП) параметры делятся на две группы: электрические параметры и предельные эксплуатационные параметры. Основные электрические параметры диода (для большинства разновидностей) характеризуют ВАХ:

– постоянное прямое напряжение U_пр при некотором постоянном прямом токе I_пр (обычно при предельно допустимом или типичном для применения);

– постоянный обратный ток I_обр при некотором обратном напряжении U_обр (обычно предельном).

Кроме того, для каждой разновидности есть специфические электрические параметры (увидим).

Предельные эксплуатационные параметры – значения, которые нельзя превышать, иначе прибор выйдет из строя. Для большинства диодов указываются:

– максимально допустимое постоянное обратное напряжение;

– максимально допустимый постоянный прямой ток;

– температура окружающей среды.

Обсудим более подробно важнейшие разновидности диодов.

Выпрямительные диоды применяется в преобразователях переменного напряжения в постоянное – выпрямителях. В качестве исходного материала при изготовлении современных выпрямительных диодов используют в основном кремний. В выпрямителях используется как раз главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. Упрощенно выпрямительный диод работает как электронный ключ. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном – разомкнут.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются U_пр; I_обр; U_{обр.макс}; I_{пр.макс}. Для некоторых диодов, предназначенных для работы на повышенных частотах, могут указываться такие электрические параметры как время восстановления, заряд переключения, емкость диода, и такие предельные параметры как импульсный прямой ток, импульсное обратное напряжение (в течение ограниченного времени, например, 20 мкс), частота.

Импульсные диоды – полупроводниковые диоды, имеющие малую длительность переходных процессов. Применяются в слаботочных высокочастотных цепях.

Длительность переходных процессов в диоде обусловлена пере­зарядом емкостей С_диф и С_б. При малых токах основную роль в переходных процессах играет процесс перезаряда барьерной емкости С_б. При больших токах процессы накопления и рассасывания заряда являются преобладающими. Последнее явление определяет быстродействие диодов и характеризуется специальным параметром – временем восстановления τ_вос его обратного сопротивления. Поэтому кроме параметров, указанных для выпрямительных диодов, вводится параметр τ_вос, характеризующий их быстродействие. Часто указывают емкость диода.

Повышенным быстродействием обладают арсенид-галлиевые диоды. Типично: емкость для кремниевых 4 пФ, арсенид-галлиевых – 0,5 пФ; время восстановления соответственно 4 нс и 1 нс.

Диоды Шоттки являются особенной разновидностью диодов. Они применяются как выпрямительные и как импульсные.

Диоды Шоттки выполняют на основе перехода Шоттки – это переход металл – полупроводник. При работе диода Шоттки неосновные носители не используются. Ток образуется потоком только основных носителей – электронов. Это значит, что накопления заряда не происходит. Поэтому время переключения может составлять порядка 100 пс. Вторая особенность этих диодов – малое прямое падение напряжения (порядка 0,3 В). Третья – у них не может быть большого допустимого обратного напряжения (не более 150 В).

Стабилитроны применяются в нелинейных цепях постоянного тока для стабилизации напряжения. Их использование основано на специфической форме обратной ветви ВАХ (показать). Увеличение тока происходит вследствие пробоя. На крутопадающем участке напряжение меняется незначительно в широком диапазоне токов (малое дифференциальное сопротивление).

В стабилитронах происходит либо лавинный, либо туннельный пробой, либо оба вместе. Первым пробой в твердых диэлектриках исследовал Зенер (1933), поэтому стабилитроны в зарубежной технической литературе называют диодами Зенера.

Стабилитроны изготовляют, как правило, из кремния. При использовании высоколегированного кремния (высокая концентрация примесей, а, следовательно, и свободных носителей заряда) напряжение стабилизации понижается, а суменьшением степени легирования кремния – повышается. Напряжение стабилизации лежит в диапазоне от 3 до 180 В. Показать стандартный ряд номинальных значений U_ст. Показать УГО.

Показать применение: простейший параметрический стабилизатор.

Для стабилизации малых напряжений применяют также стабисторы, в которых используется прямая ветвь ВАХ. Стабисторы выпускают на напряжения 0,7 В, 1,3 В, 1,9 В. Видно, что это либо одиночный диод, либо последовательное соединение 2 или 3 диодов.

К основным электрическим параметрам стабилитрона относятся: U_ст – номинальное напряжение стабилизации при заданном токе; разброс напряжения стабилизации (обычно ± 20 %); r_д– дифферен­циальное сопротивление при заданном токе (КС133А 65 Ом, КС515А 200 ОМ, КС680А 3 кОм); ТКН стабилизации (пояснить зависимость от напряжения стабилизации: КС133А не хуже – 0.11 %/К; КС147А от – 0,09 до + 0,01 %/К; КС168А ± 0,06 %/К; КС182Ж не более + 0,08 %/К; КС515А не более 0,1 %/К; КС680А не более 0,2 %/К). Предельные параметры: минимальный ток стабилизации; максимальный ток стабилизации; прямой ток, рассеиваемая мощность.

Для устройств, где требуется прецизионный источник опорного напряжения (пояснить), выпускаются термокомпенсированные стабилитроны, имеющие очень малый ТКН. Пояснить принцип термокомпенсации. Лучшие образцы имеют ТНН порядка ± 0,001 %/К.

В схемах двуполярной стабилизации напряжения применяются симметричные (двуханодные) стабилитроны, представляющие собой последовательное встречное соединение двух стабилитронов. Показать УГО и ВАХ. Дополнительно нормируется асимметрия ВАХ.

Варикап – полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости С от приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Основная характеристика варикапа – это зависимость емкости варикапа С_в от значения приложенного обратного напряжения (вольт-фарадная характеристика). Вид ее уже приводился. У выпускаемых промышленностью варикапов значение емкости С_в может изменяться от единиц до сотен пикофарад. Показать УГО.

Основными параметрами варикапа являются: С_в – емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении; К_с – коэффициент перекрытия по емкости, используемый для оценки зависимости С_в = f(U_обр) и равный отношению емкостей-варикапа при двух заданных значениях U_обр(К_с = 2...20). Варикапы используются для автоматической настройки частоты радио- и телеприема.

Излучающий диод – полупроводниковый диод, излучающий из области p-n-перехода кванты энергии. Излучение испускается через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода.

По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды; диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие название ИК-диоды. Принцип действия обоих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр излучения определяется типом исходного полупроводникового материала. Используется p-n-переход с относительно большой шириной запрещенной зоны. Основными материалами для изготовления излучающих диодов служат фосфид галлия, арсенид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделяемой в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии излучения в лучшем случае приходится 10... 20%.

Светодиоды применяют в качестве световых индикаторов, а ИК-диоды – в качестве источников излучения в оптоэлектронных устройствах, в устройствах ДУ.

Помимо обычных для диода параметров излучающие диоды характеризуются излучательными параметрами:

– полная мощность излучения (для ИК-диапазона), обычно единицы и десятки мВт;

– сила света в мккд или яркость в кд/м² (для светодиодов).

– спектральная характеристика. Вообще говоря, это зависимость P(λ)/P(λ_m). Показать типичную форму. Ее параметры: типичная длина волны в максимуме, ширина спектральной характеристики на уровне 0,5. [ видимый свет – длина волны от 0,38 мкм (фиолетовая граница) до 0,78 мкм (красная граница); ИК-излучение – от 0,78 мкм до 2 мм ]. ИК-диоды имеют обычно максимум спектральной характеристики в диапазоне 0,91 – 0,96 мкм. Светодиоды изготавливают с разным цветом излучения: красный (0,66), зеленый (0,56), тж желтый, синий.

Допустимое обратное напряжение излучающих диодов мало: типично от 1 до 5 В. Постоянный прямой ток типично 10 – 50 мА, но многие диоды предназначены для работы в импульсном режиме, тогда задается I_пр.имп (обычно I_пр.имп в 10 раз больше, чем I_пр.ср) .

Обычно в справочниках излучающие диоды относят к классу оптоэлектронных приборов. Кроме них, к этому классу относятся знаковые индикаторы, фотодиоды и оптопары.

Знаковые индикаторы – чаще всего 7-сегментные или матричные 7 × 5 (пояснить принципы формирования знаков).

Фотодиод – полупроводниковый прибор, принцип действия ко­торого основан на использовании внутреннего фотоэффекта – ге­нерации в полупроводнике свободных носителей заряда под действием квантов света (фотонов). Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический ток. Фотодиод может работать в двух режимах:

– фотодиодный – с внешним источником питания;

– вентильный (фотогальванический) – без внешнего источника питания; является преобразователем энергии излучения в электрическую энергию. Используется в солнечных батареях.

В автоматике фотодиоды часто используются как датчики излучения.

Основные параметры фотодиодов: рабочее напряжение (обратное), темновой ток, токовая интегральная чувствительность (отношение фототока к мощности потока излучения), спектральные характеристики (длина волны максимума спектральной чувствительности, область спектральной чувствительности).

[Отметить, что в качестве приемников оптического излучения применяются также фоторезисторы, фототранзисторы и ряд других].

Оптопара – электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно излучающий диод, но в ранних изделиях встречается миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Тип фотоприёмника определяет линейность передаточной функции оптрона. Наиболее линейны и тем самым пригодны для работы в аналоговых устройствах резисторные оптроны, затем — оптроны с приёмным фотодиодом или одиночным биполярным транзистором. Оптроны с составными биполярными транзисторами или полевыми транзисторами используются в импульсных (ключевых, цифровых) устройствах, в которых линейность передачи не требуется. Оптроны с фототиристорами применяются для гальванической развязки силовой цепи от цепей управления.

По типу оптического канала различают оптопары с открытым и с закрытым оптическим каналом.

Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), конечных выключателях, счётчиках (например, координатные счётчики в механической мыши).

Оптроны с закрытым оптическим каналом используются для гальванической развязки цепей передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Необходимы для защиты от помех и для разделения силовых цепей и низковольтных устройств управления.

Основные характеристики оптопар – это комбинация параметров входного и выходного элементов. Спектральные характеристики не важны и не приводятся, т.к. источник и приемник согласованы конструктором. Из специфических параметров важна электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями). Она зависит от конструкции прибора. Оптопары гальванической развязки выпускаются в разных корпусах, для каждого характерны свои напряжения изоляции. Для того, чтобы обеспечить большие пробивные напряжения, необходимо, чтобы конструкция оптопары имела как можно большие расстояния не только между светодиодом и фотоприемником, но так же как можно большие расстояния по внутренней и по внешней стороне корпуса. Хорошим показателем считается 1500 – 3000 В.

Один из основных электрических параметров, характеризующих диодную оптопару – коэффициент передачи тока. Типично 1 – 2 %.

Показать УГО всех оптоэлектронных приборов.

Глава 4. транзисторы

Биполярные транзисторы

В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами, предназначенные для усиления или переключения сигналов. Усилительные свойства биполярных транзисторов обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

(Отдельные разновидности биполярных транзисторов могут иметь более двух переходов и более трех выводов).

Биполярные транзисторы состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности различают транзисторы р-n-р- и n-р-n-типов.

Физические процессы в транзисторах.Упрощенная структура
n-р-n-транзистора показана на рис. 4.1, а, условные обозначения n-р-n- и р-n-р-транзисторов с указанием направления токов при работе в нормальном активном режиме – на рис. 4.1, б,в.

Обычно напряжения к выводам биполярного транзистора прикладываются так, чтобы к одному переходу было приложено прямое напряжение, к другому — обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующий наружный слой — эмиттером (Э); средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой — коллектором (К).Так же принято называть и выводы транзистора.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу — относительно высокоомной (десятки – сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора. Ширину базы делают очень малой, так, чтобы она была в несколько раз меньше диффузионной длины (пояснить). Фактически это несколько микрон.

Все, что мы ранее говорили о единичном р-n-переходе, справедливо для каждого из p-n-переходов транзистора. В отсутствии приложенного напряжения наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый р-n-переход, и результирующие токи равны нулю.

Напряжения к выводам транзистора подают так, чтобы эмиттерный переход смещался в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Рассмотрим процессы, происходящие при этом, для случая n-р-n-транзистора (у них преобладающее применение). Через отпертый эмиттерный переход в область базы происходит инжекция электронов. Так как удельное сопротивление базы высокое, электронный поток носителей заряда преобладает над дырочным. Поэтому последним в первом приближении можно пренебречь. (Для р-n-р-транзистора соответственно поток дырок из эмиттера в базу существенно преобладает над потоком электронов из базы). Поток электронов образует эмиттерный ток транзистора I_Э.

Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда –дырками, образуя ток базы I_Б.

Если бы ширина база была достаточно большой, в несколько раз больше диффузионной длины L, то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного перехода. Однако так как ширина базы во много раз меньше диффузионной длины, то большинство электронов, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с дырками и, попав вблизи коллекторного перехода в ускоряющее поле, создаваемое напряжением U_КБ, втягиваются в коллектор (происходит экстракция электронов). Они образуют коллекторный ток I_К. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход (а, следовательно, и коллекторного тока) по сравнению с потоком дырок через эмиттерный переход можно учесть следующим соотношением:

I_к = αI_э. (4.1)

где α = 0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

На самом деле выражение (4.1) не совсем точное, так как через запертый коллекторный переход течет обратный ток I_кб0, образованный потоком из n- в р-область неосновных для коллекторной области носителей заряда – дырок. Это ток суммируется с током, обусловленным экстракцией электронов из базы в коллектор. Однако, учитывая, что I_Э >> I_кб0, величиной I_кб0 можно на практике пренебречь.

Различают статический и дифференциальный коэффициенты передачи тока эмиттера. Выражение (4.3) определяет статический коэффициент: α = I_К / I_э. Но при анализе усилительных свойств транзистора в качестве входного и выходного сигналов рассматриваются изменения (приращение, переменная составляющая) токов. При этом оперируют дифференциальным коэффициентом передачи тока, т.е., определяют α следующим образом α = dI_К / dI_э. , или приближенно α = ΔI_К / ΔI_э. Обычно в рабочем режиме значения этих коэффициентов близки, и мы их в дальнейшем различать не будем.

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соот­ветствии с первым законом Кирхгофа представляет собой базовый ток

I_Б= I_Э – I_К. (4.2)

Заменив I_Э в (4.2) его значением из (4.1), получим

I_Б= I_К/α – I_К = [(1– α) / α] I_К .

или

I_К = b I_Б ,(4.3)

где b = α / (1– α) – коэффициент передачи тока базы = коэффициент усиления транзистора по току.

Видно, что если α = 0,95…0,99, то b примерно равно 20…100.

Именно усиление тока базы является основным свойством транзистора, а величина b – важнейшим его параметром. Как и для α , в литературе иногда различают статический и дифференциальный коэффициенты передачи тока базы.

Сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (несколько МОм). Можно представить себе цепь коллектора как идеальный источник тока, т.к. ток коллектора в соответствии с (4.3) определяется только током базы и не зависит от сопротивления в цепи коллектора. Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями. Таким образом, подавая на базу малые значения входного напряжения (прямое смещение эмиттерного перехода, составляющее десятые доли вольта), получаем в цепи коллектора большие значения выходного напряжения (обратное смещение коллекторного перехода обычно составляет десятки вольт). То есть, транзистор может применяться для усиления напряжения. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность. А мощность, потребляемая во входной цепи, оказывается существенно меньше (малое входное напряжение и малый базовый ток). Таким образом, транзистор является усилителем мощности.

Режимы работы. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора,

Нормальный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. Именно этот режим работы мы только что рассматривали. Он соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока и обеспечивает минимальные искажения усиливаемого сигнала. Этот режим является основным, он используется в усилителях и вообще в аналоговых электронных устройствах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Между выводами коллектора и эмиттера – очень малое напряжение, поэтому режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала, т.е. транзистор используется в качестве электронного ключа (об этом позже).

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим работы приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока по сравнению с работой транзистора в нормальном режиме, но дает очень малое напряжение между эмиттером и коллектором при работе транзистора в качестве электронного ключа.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные на­пряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов (ключ).

Схемы включения и основные параметры. Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. В зависимости от того, какой из трех выводов транзистора является общим для входа ивыхода четырехполюсника, различают схему включения транзистора с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОK).

Рассмотрим перечисленные схемы и определим их свойства и особенности. Основными параметрами каждой усилительной схемы являются:

– коэффициент усиления по току k_I = ΔI_вых/ΔI_вх;

– коэффициент усиления по напряжению k_U = ΔU_вых/ΔU_вх;

– коэффициент усиления по мощности k_Р = ΔР_вых/ΔР_вх;

– входное сопротивление R_вх = ΔU_вх/ΔI_вх;

– выходное сопротивление R_вых = ΔU_вых/ΔI_вых.

Схема с ОБ (рис. 4.2):

[Рассказать назначение источников питания (смещения), смысл обозначения корпуса, входной и выходной сигналы, как обеспечивается усиление]

Коэффициент усиления по току k_IБ = ΔI_К/ΔI_Э = α.

Входное сопротивление R_вхБ = ΔU_ЭБ/ΔI_Э. По сути R_вхБ – это сопротивление эмиттерного перехода; как уже сказано – десятки Ом.

Коэффициент усиления по напряжению

Так как R_Н >> R_вхБ, то k_UБ >> 1.

Таким образом, основные особенности включения с ОБ: малое входное сопротивление, нет усиления по току, большое усиление по напряжению.

Схема с ОЭ показана на рис. 4.3. Изображена только для n-p-n-транзистора; очевидно, что для p-n-p-транзистора меняются только полярности источников.

Коэффициент усиления по току k_IЭ = I_К/I_Б = b.

Входное сопротивление

Таким образом, видно, что R_вхЭ >> R_вхБ .

Коэффициент усиления по напряжению

Т. обр., схема с ОЭ имеет значительно бóльшее по сравнению с ОБ входное сопротивление, и усиливает сигнал как по току, так и по напряжению.

Схема с ОК (рис. 4.4):

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по напряжению

(чуть меньше единицы)

Входное сопротивление

Таким образом, схема с ОК имеет значительно большее значение входного сопротивления, чем любая другая схема включения транзистора, и усиливает сигнал по току и мощности. Коэффициент передачи напряжения практически равен 1, поэтому эта схема чаще называется схемой эмиттерного повторителя. На практике она чаще всего используется в качестве согласующего устройства [пояснить]. Отметить, что любое сопротивление в цепи эмиттера ощущается в цепи базы как увеличенное в β + 1 раз. И обратно: любое сопротивление в цепи базы ощущается в цепи эмиттера как уменьшенное в β + 1 раз.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои статические характеристики, представляющие собой функцио­нальную зависимость токов через транзистор от приложенного напряжения. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют в графической форме.

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (припостоянном входном токе транзистора). Рассмотрим статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора для схем включения с ОЭ, т.к. это наиболее часто применяемая схема (с ОБ – рассмотреть самостоятельно).

На рис. 4.5 представлены типичные характеристики маломощного кремниевого транзистора.

Входная характеристика схемы с ОЭ (рис. 4.5, а) представляет собой зависимость I_Б = f(U_БЭ); параметр – напряжение U_КЭ .

Если U_КЭ = 0, то это равносильно соединению коллектора и эмиттера накоротко. Тогда БЭ-переход и БК-переход открыты одновременно. Поэтому ток базы равен сумме токов переходов, и характеристика идет выше. При U_КЭ > 0 коллекторный переход заперт, и входная характеристика представляет собой ВАХ перехода, тогда она незначительно зависит от U_КЭ .

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ) при параметре I_Б (рис. 4.5, б). Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном – к нормальному активному режиму. Из графика можно ориентировочно определить коэффициент усиления по току (порядка 100).

Идеализированные выходные характеристики транзистора, которые часто приводятся в литературе, представляют собой горизонтальные прямые, причем ток коллектора пропорционален току базы. Кривые на рис. 4.5, б более приближены к реальным. Обсудить: а) ограничение по мощности; б) увеличение тока при больших U_КЭ и при большой рассеиваемой мощности; зависимость β от тока.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером невелик благодаря тому, что I_К определяется током базы. Мы уже говорили, что транзистор с постоянным током базы ведет себя как источник тока, близкий к идеальному, т.е. его внутреннее сопротивление очень велико. Некоторый наклон все же есть, поэтому выходное сопротивление транзистора не ∞, а порядка 1 Мом.

Транзистор, как и любой четырехполюсник, может быть представлен системой уравнений, связывающих входные и выходные напряжения, входные и выходные токи. Из ТОЭ известно, что уравнения четырехполюсника могут быть записаны в одной из шести форм (a, y, z, h, g, b) в зависимости от того, какие переменные через какие выражаются. Для транзистора общепринято использовать h-форму, в качестве переменных используют приращения напряжений и токов:

ΔU₁ = h₁₁ΔI₁ + h₁₂ΔU₂;

ΔI₂ = h₂₁ΔI₁ + h₂₂ΔU₂.

Коэффициенты называются h-параметрами транзистора. Так как считается, что приращения малы (только в этом случае возможна линейная модель, получаемая линеаризацией характеристик в окрестности рабочей точки), то эти параметры называются малосигнальными.

Система уравнений может быть конкретизирована в зависимости от схемы включения. Так, для схемы с ОЭ уравнения имеют вид

ΔU_БЭ = h_11ЭΔI_Б + h_12ЭΔU_КЭ;

ΔI_К = h_21ЭΔI_Б + h_22ЭΔU_КЭ.

При этом h-параметры имеют следующий физический смысл: h_11Э – входное сопротивление; h_12Э – величина, обратная коэффициенту усиления по напряжению; h_21Э – коэффициент передачи тока базы;
h_22Э – величина, обратная выходному сопротивлению (выходная проводимость). На практике h-параметры применяют, как правило, для анализа низкочастотных схем.

С ростом частоты параметры транзистора меняются. Входные и выходные сопротивления транзистора оказываются шунтированными барьерными емкостями, а коэффициент усиления по току падает.