Схема с общим коллектором
В схеме с общим коллектором (ОК) нагрузка RH включена не в цепь коллектора, а в цепь эмиттера. Входным в этой схеме является напряжение между базой и корпусом, а выходным – между эмиттером и корпусом (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Схема включения транзистора с общим коллектором
В отличие от схем с ОБ и ОЭ, в которых потенциал эмиттера был привязан к корпусу, в схеме с ОК потенциал эмиттера привязан к напряжению на нагрузке. Чтобы транзистор мог работать в активном режиме, необходимо, чтобы входное напряжение в этой схеме было выше напряжения на нагрузке на величину напряжения на UБЭ:
В связи с этим значения входных напряжений в схеме с ОК оказываются в сотни раз больше, чем в схемах с ОБ и ОЭ.
Другой особенностью схемы с ОК является отсутствие усиления по напряжению. Как видно из схемы, Uвых отличается от Uвх на падение напряжения UБЭ, которое при открытом транзисторе составляет доли вольт. Если входное напряжение увеличится на небольшую величину ΔΖ7ΒΧ, то в первый момент произойдет увеличение управляющего напряжения UБЭ, что приведет к увеличению тока, текущего через транзистор. Но с ростом тока увеличится и напряжение на нагрузке, а это приведет к уменьшению управляющего напряжения UБЭ = Uвх – Uвых. Изменение входного напряжения ΔUвх будет скомпенсировано аналогичным изменением выходного напряжения. Получается, что выходное напряжение будет в точности отслеживать все изменения входного. Поэтому схема с ОК получила название "эмиттерный повторитель". Коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК ΚUK ≈ 1.
Оценим усилительные свойства схемы. Входным током по-прежнему является ток базы IБ. Поэтому коэффициент усиления по току с учетом того, что β = ΔIΚ /ΔIБ, равен
т.е. примерно такой же, как и в схеме с ОЭ.
Оценим величину входного сопротивления схемы с ОК. Входное напряжение для схемы складывается из небольшого падения напряжения на база–эмиттерном переходе и падения напряжения на нагрузке, а входным током является ток базы. Поэтому
Поскольку напряжение на ПБЭ значительно меньше напряжения на нагрузке, им можно пренебречь. Тогда, учитывая взаимосвязь между током эмиттера и током базы Iэ ≈ βIБ, величина входного сопротивления запишется как
Таким образом, входное сопротивление схемы с ОК многократно превосходит входное сопротивление схем с ОЭ и ОБ и составляет десятки килоом.
Благодаря отмеченным свойствам, эмиттерный повторитель используют в качестве выходного каскада устройств для усиления сигнала по мощности, когда усиление его по напряжению уже достигнуто предыдущими каскадами. Схема с ОК обеспечивает усиление по мощности т.е. в десятки раз.
Технология изготовления биполярных транзисторов
При изготовлении биполярных транзисторов используют различные технологии выполнения р-n-переходов. Вот как, например, может быть изготовлен транзистор методом оплавления (рис. 1.14, а). Базой транзистора служит пластинка германия (или кремния) n-типа, на которую с двух сторон наплавляют капли акцепторной примеси, например индия. В приграничных слоях между германием и индием образуются р-области, представляющие эмиттер и коллектор, расстояние между которыми (толщина базы) должно быть очень маленьким (не больше нескольких микрометров). Кроме того, концентрация атомов примеси в области базы должна быть во много раз ниже, чем в области эмиттера. Это условие очень важно для работы транзистора.
Рис. 1.14. Устройство биполярного транзистора:
а – сплавного; б – планарно-диффузионного
Более совершенным является диффузионный метод изготовления транзисторов, при котором в пластинке кремния η-тина (рис. 1.14, 6) с помощью фотолитографии вытравливают окна и подвергают ее воздействию борной кислоты. Бор диффундирует в кремний на глубину нескольких микрометров, создавая в окне слой р-типа – базу будущей транзисторной структуры. Затем подобным же образом с помощью пятиокиси фосфора производят диффузию донорной примеси, образуя во внутренней части окна эмиттерную область проводимости n+-типа с повышенной концентрацией примеси.
Коллектором в такой n-р-n-структуре служит исходная пластинка кремния n-типа, а ее нижний слой с повышенной концентрацией доноров (n+) обеспечивает пониженное электрическое сопротивление коллектора, что важно для снижения нагрева транзистора протекающим через него током, особенно у мощных транзисторов.
Транзистор является основным элементом в интегральных микросхемах. Даже диоды, если они нужны в соответствии с электрической схемой, выполняют на основе транзисторов (используют либо база–эмиттерный переход, либо база–коллекторный, либо оба перехода вместе). Особенности технологии выполнения транзисторов в интегральной схемотехнике будут рассмотрены в разделе "Основы микроэлектроники".
