Электронные приборы (активные элементы цепей), страница 7

Очень часто, особенно в цифровых и логических схемах, транзисторы работают как электронные ключи, переходя из открытого (насыщенного) состояния в закрытое, и обратно. Тогда никакой линейности не нужно.

5.4.4. Сравнение ламп и биполярных транзисторов.

Электронные лампы управляются электрическим полем между сеткой и катодом, а биполярные транзисторы – током базы. Транзисторы имеют много преимуществ по отношению к лампам, поэтому они и вытеснили, практически совсем, лампы из употребления. Перечислим сначала преимущества.

1. Малые габариты и вес. Бóльшая прочность конструкции.

2. Более простая технология изготовления. Возможность создавать микросхемы с очень высокой степенью интеграции.

3. Не надо цепей накала, выше КПД.

4. Сравнительно малые напряжения питания (10 – 20 в, вместо сотен для ламп). Это тоже даёт заметное уменьшение энергопотребления.

5. Наличие транзисторов двух типов,  npn и pnp, что даёт дополнительные возможности выбирать и комбинировать.

6. Крутизна, как основной усилительный параметр, у транзисторов примерно на два порядка (особенно для мощных транзисторов) больше, чем у ламп. С этой позиции у биполярных транзисторов нет конкурентов.

Теперь обратимся к недостаткам. Обычно отмечают следующие.

1. Главный недостаток. Сравнительно малое входное сопротивление, поскольку входной переход нормально открыт. У ламп оно огромно.

2. Выше чувствительность к перегревам (предельные рабочие температуры  составляют 70 – 80 º С) и к внешним факторам ионизации ( излучение и корпускулярное).

3. Больше проявляется нелинейность характеристик.

5.5. Полевой транзистор (канальный, униполярный).

По своему принципу действия и характеристикам он сходен с электронными лампами. Управление током в основной цепи осуществляется электрическим полем, что и отражено в его названии. Для уяснения принципа работы полевого транзистора обычно рисуют картинку, изображённую на рис. 5.19. Рассмотрим транзистор с каналом  n – типа. Выводы транзистора исток и сток образуют основную токовую цепь, а затвор и исток – управляющую цепь. Затвор из пп  p – типа и канал образуют входной  p – n переход. Нормально он заперт, поэтому входное сопротивление велико (10 ⁵ – 10 ⁶  ом).

Напряжение в цепи затвора, приложенное к  p – n переходу, меняет сопротивление канала и, тем самым, управляет током в основной цепи. В ней нет переходов, поэтому такой транзистор называют униполярным. Если бы затвора и перехода не было, то канал вёл бы себя как обычный проводник. Его сопротивление определялось бы удельным сопротивлением , длиной канала  и сечением . . Канал делается очень узким, его толщина составляет единицы мкм. Электрическое поле закрытого  p – n перехода создаёт в канале зону, обеднённую носителями, делая канал ещё ýже (толщина ). Эффективное сечение канала уменьшается, сопротивление растёт. Меняем поле, меняется сечение и сопротивление. Таков механизм управления током.

Канал можно перекрыть совсем, увеличивая поле. Ток в основной цепи исчезнет. Соответствующее напряжение на затворе называют напряжением запирания или отсечки тока. Типичные семейства проходных и выходных характеристик изображены на рис. 5.20. Они очень похожи на характеристики пентодов. По ним определяются все необходимые параметры транзистора.

Особо требует пояснения участки постоянства тока, при изменении напряжения , на выходных характеристиках. Это связано с изменением эффективной  толщины канала вдоль его оси. Мы пока не учитывали падение напряжения в канале за счёт тока. Оно существенно неравномерное (где больше сопротивление, там больше и падает). Пусть напряжение на затворе относительно истока составляет –3 в, в канале течёт некоторый ток (близкий к максимальному) и распределение потенциала в канале за счёт тока такое, как указано на рис. 5. 21, снизу. Тогда разность потенциалов на  p – n  переходе в разных сечениях канала будет меняться, увеличиваясь по мере продвижения от истока (указана сверху). Ситуация на рисунке упрощена, утрирована, однако главный эффект отражён. Эффективное сечение канала будет убывать с ростом разности потенциалов, по мере удаления от истока. Когда канал в конце  p – n перехода перекрывается совсем, начинается «насыщение». Дальнейший рост тока становится, практически, невозможным.