Анализ и моделирование биполярных транзисторов

8. Работабиполярноготранзисторана высокихчастотах.

С повышениемчастоты усиление,даваемоетранзисторами,снижается.Имеются двеглавные причиныэтого явления.Во-первых, наболее высокихчастотах вредновлияет емкостьколлекторногоперехода

.Проще всегорассмотретьэто влияниена эквивалентнойсхеме с генераторомтока, показаннойдля схемы ОБна рис. 8-1.

Рис. 8-1.Эквивалентнаясхема транзисторас учетом емкостейпереходов

На низкихчастотахсопротивлениеемкости

очень большое, также оченьвелико (обычно )и можно считать,что весь ток идет в нагрузочныйрезистор, т. е. .Но на некоторойвысокой частотесопротивлениеемкости становитсясравнительномалым и в нееответвляетсязаметная частьтока, создаваемогогенератором,а ток через соответственноуменьшается.Следовательно,уменьшаются , , ,выходное напряжениеи выходнаямощность.

Если представитьсебе, что частотастремится кбесконечности,то сопротивлениеемкости

стремитсяк нулю, т. е. создает короткоезамыкание длягенератораи весь его ток пойдет через ,а в нагрузкетока вообщене будет. К подобномуже результатуможно прийти,если рассмотретьэквивалентнуюсхему с генераторомЭДС.

Емкостьэмиттерногоперехода С_этакже уменьшаетсвое сопротивлениес повышениемчастоты, но онавсегда шунтированамалым сопротивлениемэмиттерногоперехода

и поэтому еевредное влияниеможет проявлятьсятолько на оченьвысоких частотах,на которыхзначение получаетсяодного порядкас .

Сущностьвлияния емкостиС_э состоитв том, что чемвыше частота,тем меньшесопротивлениеэтой емкости,тем сильнееона шунтируетсопротивление

.Следовательно,уменьшаетсяпеременноенапряжениена эмиттерномпереходе, аведь именнооно управляеттоком коллектора.Соответственноуменьшаетсяэффект от усиления.Если частотастремится кбесконечности,то сопротивление стремится кнулю и напряжениена эмиттерномпереходе такжеснизится донуля. Практическина менее высокихчастотах емкость ,которая шунтированаочень большимсопротивлениемколлекторногоперехода .Уже настолькосильно влияет,что работатранзисторана более высокихчастотах, накоторых моглабы влиять емкостьС_э становитсянецелесообразной.Поэтому влияниеемкости С_эв большинствеслучаев можноне рассматривать.

Итак, вследствиевлияния емкостиС_к на высокихчастотах уменьшаютсякоэффициентыусиления

и .

Второй причинойснижения усиленияна более высокихчастотахявляется
отставаниепо фазе переменноготока коллектораот переменноготока эмиттера.
Оновызвано инерционностьюпроцесса перемещенияносителей черезбазу от эмиттерногоперехода кколлекторном),а также инерционностьюпроцессовнакопленияи рассасываниязаряда в базе.Носители, напримерэлектроны втранзисторетипа n-p-n.совершают вбазе диффузионноедвижение, ипоэтому скоростьих не оченьвелика. Времяпробега носителейчерез базу

в обычныхтранзисторах10^-7с, т. е. 0,1 мкс именее. Конечно,это время оченьне большое,но на частотахв единицы, десяткимегагерц и вышеоно соизмеримос периодомколебаний ивызывает заметныйфазовый сдвигмежду токамиколлектораи эмиттера. За счет сдвига на высоких частотах возрастаетпеременныйток базы, а отэтого снижаетсякоэффициентусиления потоку .

Рис. 8-2 Рис.8-3.

Рис. 8-2 Векторныедиаграммы дайтоков транзисторапри различныхчастотах.

Рис. 8-3 Уменьшениекоэффициентов

и

при повышениичастоты.

Удобнее всегопроследитьэто явлениес помощью векторныхдиаграмм,изображенныхна рис. 8-2. Перваяиз них соответствуетнизкой частоте,например 1 кГц,на которой всетоки практическисовпадают пофазе, так как

составляетничтожную долюпериода колебаний.На низких частотах имеет своенаибольшеезначение .При более высокойчастоте, например1 МГц, запаздываниетока на время относительнотока вызывает заметныйфазовый сдвиг между этимитоками. Теперьток базы равен не алгебраической,а геометрическойразности токов и и вследствиеэтого он значительноувеличился.Поэтому, дажеесли ток еще не уменьшилсяза счет влиянияемкости С_к,то коэффициент все же станетзаметно меньше На еще болеевысокой частоте,например 10 МГц,фазовый сдвигвозрастет, ток еще большеувеличится,а коэффициент уменьшится.

Таким образом,при повышениичастоты коэффициент

уменьшаетсязначительносильнее, нежели Коэффициента снижаетсяот влиянияемкости С_ка на значение влияет еще ифазовый сдвигмежду и за счет временипробега носителейчерез базу.Отсюда ясно,что схема ОЭпо сравнениюсо схемой ОБ обладает значительно худшими частотными свойствами.

Принятосчитать предельнымдопустимымуменьшениезначений

и на 30% по сравнениюс их значениями и на низких частотах.Те частоты, накоторых происходиттакое снижениеусиления, т. е.на которых и ,называют граничнымиили предельнымичастотамиусиления длясхем ОБ и ОЭ.Эти частотыобозначаютсоответственно и .Поскольку уменьшаетсягораздо сильнее,нежели ,то значительнониже .Можно считать,что

На рис. 8-3 изображенпримерныйграфик, показывающийдля некотороготранзисторауменьшениекоэффициентов

и с повышениемчастоты, отложеннойна графике влогарифмическоммасштабе. Дляудобства повертикальнойоси отложеныне сами и ,а относительныевеличины и

Помимо предельныхчастот усиления

и транзисторхарактеризуетсяеще максимальнойчастотой генерации ,при которойкоэффициентусиления помощности снижаетсядо 1. Очевидно,что при ,когда ,возможно применениеданного транзисторав генераторес самовозбуждениемНо если ,то генерацииколебаний ужене будет.

Иногда врасчетныхформулах встречаетсятакже граничнаячастота усилениятока

.которая соответствует ,т. е. при этойчастоте транзисторв схеме с ОЭперестаетусиливать ток.

Следуетотметить, чтона высокихчастотах происходитне только изменениезначений

и ,Вследствиевлияния емкостейпереходов ивремени пробеганосителей черезбазу, а такжепроцессовнакопленияи рассасываниязаряда в базесобственныепараметрытранзисторана высокихчастотах изменяютсяи уже не являютсячисто активнымисопротивлениями.Изменяютсятакже и вседругие параметры.

Улучшениечастотныхсвойств транзисторов,т. е. повышениеих предельныхчастот усиления

и ,достигаетсяуменьшениемемкости коллекторногоперехода С_ки времени пробеганосителей черезбазу .К сожалению,снижение емкостипутем уменьшенияплощади коллекторногоперехода приводитк уменьшениюпредельноготока. т. е. к снижениюпредельноймощности.

Некоторое снижение емкости С_к достигается уменьшением концентрациипримеси в коллекторе.Тогда коллекторныйпереход становитсятолще, чторавноценноувеличениюрасстояниямежду обкладкамиконденсатора.Емкость уменьшается, и, кроме того, при большей толщине перехода увеличивается напряжениепробоя и этодает возможностьповысить мощность.Но зато возрастаетсопротивление области коллектора и в ней потери мощности будут больше, что особенно нежелательно для мощных транзисторов. Для уменьшения

стараютсясделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе приходится снижать напряжение , чтобы приувеличении толщины коллекторного перехода не произошел «прокол базы».Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели дырки.Поэтому транзисторы типа n-p-n при прочих равных условиях являются более высокочастотными, нежели транзисторы типа p-n-p. Более высокиепредельныечастоты могутбыть полученыпри использованииполупроводников,у которых подвижностьносителей выше.Увеличениескорости пробеганосителей через базу достигается также в тех транзисторах, у которых в базе созданоэлектрическоеполе, ускоряющеедвижение носителей.

35

9. Работабиполярноготранзисторав импульсномрежиме

Транзисторышироко применяютсяв различныхимпульсныхустройствах.Работа транзисторовв импульсномрежиме, иначеназываемомключевым илирежимом переключения,имеет рядособенностей.

Рассмотримимпульсныйрежим транзисторас помощью еговыходныххарактеристикдля схемы ОЭ.Пусть в цепьколлекторавключен резисторнагрузки

.Соответственноэтому на рис.9-1 построеналиния нагрузки.До поступленияна вход транзистораимпульса входноготока или входногонапряжениятранзисторнаходится взапертом состоянии(в режиме отсечки),что соответствуетточке . В цели коллекторапроходит малыйток (в данномслучае сквознойток и, следовательно,эту цепь приближенноможно считатьразомкнутой.Напряжениеисточника почти все полностьюприложено ктранзистору.

Рис. 9-1. Определениепараметровимпульсногорежима транзисторовс помощьювыходныххарактеристик.

Если на вход подан импульс тока

, то транзисторпереходит врежим насыщенияи работает вточке .Получаетсяимпульс токаколлектора ,очень близкийпо значениюк .Его иногданазывают токомнасыщения. Вэтом режиметранзисторвыполняет рользамкнутогоключа и почтивсе напряжениеисточника падает на ,а на транзистореимеется лишьочень небольшоеостаточноенапряжениев десятые доливольта, называемоенапряжениемнасыщения .

Хотя напряжение

в точке не изменилосвой знак, нона самом коллекторномпереходе оностало прямым,и поэтому точка действительносоответствуетрежиму насыщения.Покажем этона следующемпримере. Пустьимеется транзисторn-p-nи ,а напряжениена базе .Тогда на коллекторепо отношениюк базе будетнапряжение ,т.е. на коллекторномпереходе прямоенапряжение0,4 В.

Конечно,если импульсвходного токабудет меньше

,то импульс токаколлекторатакже уменьшится.Но зато увеличениеимпульса токабазы сверх практическиуже не даетвозрастанияимпульса выходноготока. Такимобразом, максимальноевозможноезначение импульсатока коллектора

(9.1)

Помимо

, и импульсныйрежим характеризуетсятакже коэффициентомусиления потоку В, которыйв отличие от определяетсяне через приращения токов, а как отношение токов, соответствующих точке :

(9.2)

Иначе говоря,

является параметром,характеризующимусиление малыхсигналов, а Вотносится кусилению большихсигналов, вчастностиимпульсов,и по значениюнесколькоотличаетсяот .

Параметромимпульсногорежима транзистораслужит такжеего сопротивлениенасыщения

(9.3)

Значение

у транзисторов для импульсной работы обычно составляетединицы, иногдадесятки Ом.

Аналогично рассмотренной схеме ОЭ работает в импульсном режиме и схемаОБ.

Рис. 9-2.Искажение формыимпульса токатранзистором.

Если длительность входного импульса

во много раз больше временипереходныхпроцессовнакопленияи рассасываниязарядов в базетранзистора,то импульсвыходного токаимеет почтитакую же длительностьи форму, как ивходной импульс.Но при короткихимпульсах, т.е. если составляетединицы микросекунди меньше, можетнаблюдатьсязначительноеискажение формыимпульса выходноготока и увеличениеего длительности.

Для примерана рис. 9-2 показаныграфики короткогоимпульса входноготока прямоугольнойформы и импульсавыходного токапри включениитранзисторапо схеме ОБ.Как видно, импульсколлекторноготока начинаетсяс запаздываниемна время

(время задержки), что объясняется конечным временемпробега носителейчерез базу.Этот ток нарастаетпостепеннов течение времени (длительностифронта), составляющегозаметную часть .Такое постепенноеувеличениетока связанос накоплениемносителей вбазе. Крометого, носители,инжектированныев базу в началеимпульса входноготока, имеютразные скоростии не все сразудостигаютколлектора.Время + являетсявременем включения .После окончаниявходного импульсаза счет рассасываниязаряда, накопившегосяв базе, ток продолжаетсянекоторое время (время рассасывания),а затем постепенноспадает в течениевремени спада .Время + есть времявыключения .В итоге импульсколлекторноготока значительноотличаетсяпо форме отпрямоугольногои растянутво времени посравнению свходным импульсом.Следовательно,замедляетсяпроцесс включенияи выключенияколлекторнойцепи, затягиваетсявремя, в течениекоторого этацепь находитсяв замкнутомсостоянии.Иначе говоря,за счет инерционностипроцессовнакопленияи рассасываниязаряда в базетранзисторне может осуществлятьдостаточнобыстрое включениеи выключение,т. е. не обеспечиваетдостаточноебыстродействиеключевогорежима.

На рис. 9-2 показанеще график токабазы, построенныйна основаниисоотношения

.Как видно, токэтот имеетсложную форму.

Специальныетранзисторыдля работыкороткимиимпульсамидолжны иметьмалые емкостии тонкую базу.Как правило,это маломощныедрейфовыетранзисторы.Чтобы быстреерассасывалсязаряд, накапливающийсяв базе, в неедобавляют внебольшомколичествепримеси, способствующиебыстрой рекомбинациинакопленныхносителей(например, золото).

39

10. Математическаямодель биполярноготранзистора.

Общая эквивалентнаясхема транзистора,используемаяпри полученииматематическоймодели, показанана рис.10-1.Каждый p-n-переходпредставленв виде диода,а их взаимодействиеотраженогенераторамитоков. Еслиэмиттерныйp-n-переходоткрыт, то вцепи коллекторабудет протекатьток, несколькоменьший эмиттерного(из-за процессарекомбинациив базе). Он обеспечиваетсягенераторомтока

.Индекс Nозначает нормальноевключение. Таккак в общемслучае возможнои инверсноевключениетранзистора,при которомколлекторныйp-n-переходоткрыт, а эмиттерныйсмещен в обратномнаправлениии прямомуколлекторномутоку соответствуетэмиттерныйток ,в эквивалентнуюсхему введенвторой генератортока ,где - коэффициентпередачиколлекторного тока.

Таким образом,токи эмиттераи коллекторав общем случаесодержат двесоставляющие:инжектируемую(

или ) и собираемую ( или ):

, (10.1)

Эмиттерныйи коллекторный p-n-переходы транзисторааналогичныp-n-переходу диода.При раздельномподключениинапряженияк каждому переходуих вольтампернаяхарактеристикаопределяетсятак же, как и вслучае диода.Однако еслик одному из p-n-переходовприложитьнапряжение,а выводы другогоp-n-перехода замкнутьмежду собойнакоротко,то ток, протекающийчерез p-n-переход, к которомуприложенонапряжение,увеличитсяиз-за измененияраспределениянеосновныхносителейзаряда в базе.Тогда:

, (10.2)

где

-тепловой токэмиттерногоp-n-перехода, измеренныйпри замкнутыхнакоротковыводах базыи коллектора; - тепловой токколлекторногоp-n-перехода, измеренныйпри замкнутыхнакоротковыводах базы и эмиттера.

Рис. 10-1. Эквивалентная схема идеализированного транзистора

Связь между тепловыми токами p-n-переходов

, включенных раздельно, И тепловымитоками , получим из(10.1 и 10.2). Пусть .Тогда .При .Подставив этивыражения в(10.1), для тока коллектора получим .

Соответственно для

имеем

Токи коллектора и эмиттера сучетом (10.2) примутвид

(10.3)

На основании закона Кирхгофа ток базы

(10.4)

При использовании(10.1)-(10.4) следуетпомнить, чтов полупроводниковыхтранзисторахв самом общемслучае справедливо равенство

(10.5)

Решив уравнения (10.3) относительно

, получим

(10.6)

Это уравнение описывает выходные характеристики транзистора.

Уравнения(10.3), решенныеотносительно

,дают выражение,характеризующееидеализированныевходные характеристики транзистора:

(10.7)

В реальномтранзисторекроме тепловыхтоков черезпереходы протекаюттоки генерации— рекомбинации,канальныетоки и токиутечки. Поэтому

, , , как правило,неизвестны.В техническихусловиях натранзисторыобычно приводятзначения обратныхтоков p-n-переходов , .определенныекак ток соответствующегоперехода принеподключенном выводе другого перехода.

Если p-n-переходсмещен в обратномнаправлении,то вместо тепловоготока можноподставлятьзначение обратноготока, т. е. считать,что

и .В первом приближенииэто можно делатьи при прямомсмещенииp-n-перехода.При этом длякремниевыхтранзистороввместо следует подставлять ,где коэффициентmучитываетвлияние токовреальногоперехода (m= 2 - 4). С учетом этогоуравнения(10.3), (10.5) часто записываютв другом виде,который болееудобен длярасчета цепейс реальнымитранзисторами:

(10.8)

(10.9)

(10.10)

где

.

Различаюттри основныхрежима работыбиполярноготранзистора: активный, отсечки, насыщения.

В активномрежиме одиниз переходовбиполярноготранзисторасмещен в прямомнаправленииприложеннымк нему внешнимнапряжением,а другой - в обратномнаправлении.Соответственнов нормальномактивном режимев прямом направлениисмещен эмиттерныйпереход, и в(10.3), (10.8) напряжение

имеетзнак «+». Коллекторныйпереход смещенв обратномнаправлении,и напряжение в (10.3) имеет знак« - ». При инверсномвключении вуравнения(10.3), (10.8) следуетподставлятьпротивоположныеполярностинапряжений , .При этом различиямежду инверсными активнымрежимами носяттолько количественныйхарактер.

Для активногорежима, когда

и (10.6) запишем в виде .

Учитывая,что обычно

и ,уравнение (10.7) можно упростить:

(10.11)

Таким образом,в идеализированномтранзистореток коллектораи напряжениеэмиттер-базапри определенномзначении тока

не зависят отнапряжения,приложенногок коллекторномупереходу. Вдействительностиизменениенапряжения меняет ширинубазы из-за измененияразмеровколлекторногоперехода исоответственноизменяет градиентконцентрациинеосновныхносителейзаряда. Так, сувеличением ширина базыуменьшается,градиент концентрациидырок в базеи ток увеличиваются.Кроме этого,уменьшаетсявероятностьрекомбинациидырок и увеличиваетсякоэффициент .Для учета этогоэффекта, которыйнаиболее сильнопроявляетсяпри работе вактивном режиме,в выражение(10.11) добавляютдополнительноеслагаемое

(10.12)

- дифференциальноесопротивлениезапертого коллекторногоp-n-перехода.

Влияниенапряжения

на ток оцениваетсяс помощьюкоэффициента обратной связи по напряжению

,

которыйпоказывает,во сколько разследует изменятьнапряжение

для получениятакого же изменениятока ,какое даетизменениенапряжения .Знак минусозначает, чтодля обеспечения

=const приращениянапряженийдолжны иметьпротивоположнуюполярность.Коэффициент достаточномал ( ),поэтому припрактическихрасчетах влияниемколлекторногонапряженияна эмиттерноечасто пренебрегают.

В режимеглубокой отсечкиоба переходатранзисторасмещены в обратномнаправлениис помощью внешнихнапряжений.Значения ихмодулей должныпревышать

.Если модулиобратных напряженийприложенныхк переходамтранзистораокажутся меньше ,то транзистортакже будетнаходитьсяв области отсечки.Однако токиего электродовокажутся больше, чем в областиглубокой отсечки.

Учитывая,что напряжения

и имеют знакминус, и считая,что и ,выражение(10.9) запишем в виде

(10.13)

Подставив в (10.13) значение

, найденное из (10.8), и раскрывзначение коэффициентаА, получим

(10.14)

что

,а , то выражения (10.14) существенно упростятся и примут вид

(10.15)

где

;

Из (10.15) видно,что в режимеглубокой отсечкиток коллектораимеет минимальноезначение, равноетоку единичногоp-n-перехода,смещенногов обратномнаправлении.Ток эмиттераимеет противоположныйзнак и значительноменьше токаколлектора,так как

.Поэтому вомногих случаяхего считают равным нулю: .

Ток базы врежиме глубокойотсечки приблизительноравен току коллектора:

(10.15)

Режим глубокойотсечки характеризуетзапертое состояние

транзистора,в котором егосопротивлениемаксимально,а токи

электродовминимальны.Он широкоиспользуетсяв импульсныхустройствах,где биполярныйтранзисторвыполняетфункции электронного ключа.

При режименасыщения обаp-n-переходатранзисторас помощьюприложенныхвнешних напряженийсмещены в прямомнаправлении.При этом падениенапряженияна транзисторе(

)минимальнои оцениваетсядесяткамимилливольт.Режим насыщениявозникаеттогда, когдаток коллекторатранзистораограниченпараметрамивнешнего источникаэнергии и приданной схемевключения неможет превыситькакое-то значение .В то же времяпараметрыисточникавнешнего сигналавзяты такими,что ток эмиттерасущественнобольше максимального значения тока в коллекторной цепи: .

Тогда коллекторныйпереход оказываетсяоткрытым, падениенапряженияна транзисторе—минимальными не зависящимот тока эмиттера.Его значениедля нормальноговключения при малом токе

( )равно

(10.16)

Для инверсного включения

(10.16)

В режименасыщенияуравнение(10.12) теряет своюсправедливость.Из сказанногоясно, что, длятого чтобытранзисториз активногорежима перешелв режим насыщения,необходимоувеличить токэмиттера (принормальномвключении) так,чтобы началовыполнятьсяусловие

.Причем значениетока ,при которомначинаетсяэтот режим,зависит от тока ,определяемогопараметрамивнешней цепи,в которую включен транзистор.

44

11. Измерениепараметровбиполярноготранзистора.

Для проверкипараметровтранзисторовна соответствиетребованиямтехническихусловий, а такжедля полученияданных, необходимыхдля расчетасхем, используютсястандартныеизмерителипараметровтранзисторов,выпускаемыепромышленностью.

С помощьюпростейшегоиспытателятранзисторовизмеряютсякоэффициентусиления потоку

,выходная проводимость и начальныйток коллектора

Более сложныеизмерителипараметровпозволяют,быстро определивзначения

, , , , транзисторовв схемах ОБ иОЭ, оценить,находятся лиизмеренныепараметры впределах допустимогоразброса ипригодны лииспытанныетранзисторык применениюпо критериюнадежности.

Параметрытранзисторовможно определитьтакже по имеющимсяв справочникахпли снятым влабораторныхусловияххарактеристикам.

При определениипараметровобычно измеряютобратные токиколлектора

(всегда) и эмиттера (при необходимости)в специальныхсхемах длятранзисторов— усилителей,работающихв выходныхкаскадах, и длятранзисторов— переключателей.При измеренияхмалых токовиспользуютвысокочувствительныемикроамперметры, которые нуждаются в защите от перегрузок.

Необходимоизмерить такженапряжения

, , , , .

Напряжение

измеряют призаданном токе ограниченномсопротивлениемв коллекторе,по наблюдениюна экранеосциллографаучастка вольтампернойхарактеристики,соответствующеголавинномупробою. Можнотакже измерятьвеличину вольтметромпо падениюнапряженияна ограничивающемсопротивлении.При этом фиксируетсяпоказаниеприбора в момент резкого возрастания тока. Напряжение измеряется по изменениюнаправлениятока базы. Напряжениемежду эмиттероми коллекторомфиксируетсяв момент, когдаток базы (при этом ).Величину определяютаналогичнонапряжению .При нахождении измерениепроизводитсяв схеме ОЭ врежиме насыщенияпри заданномкоэффициентенасыщения.Желательноизмеренияпроизводитьв импульсномрежиме, чтобырассеиваемаятранзистороммощность быламинимальной. Величина определяетсяаналогичнонапряжению в схеме ОЭ.

Среди параметров,характеризующихчастотныесвойстватранзисторов,наиболее простоизмерить величину

.Для ее определенияследует измеритьна частоте ,в 2 - 3 раза большей ,модуль коэффициентапередачи токав схеме ОЭ ,тогда .Все частоты ,указываемыев качествепараметров,взаимосвязаныи могут бытьвычислены.

При измерениибарьернойемкости коллекторногоперехода С_кобычно используютметод сравненияс эталоннойемкостью вколебательномконтуре и Q-метр.Емкость измеряетсяпри заданномобратном напряжениина переходе.

Важным являетсяизмерение вкачестве параметрапостояннойвремени

(обычно в номинальномрежиме транзистора).Переменноенапряжениедостаточнобольшой частоты( 5 МГц) подаетсяв цепь коллектор— база и вольтметромизмеряетсянапряжениена входе междуэмиттером ибазой. Затемв измерительнуюцепь вместотранзисторавключаетсяэталоннаяцепочка RC.Изменяя значенияRC, добиваютсятех же показанийвольтметра.ПолученноеRC будетравно постоянной транзистора.

Тепловоесопротивление

измеряетсяс помощьютермочувствительныхпараметров( , , )с использованиемграфиков зависимостиэтих параметровот температуры.Для мощныхтранзисторовчаще всегоизмеряют величину для маломощных-

Параметрбольшого сигналаВ измеряетсяна постоянномтоке (отношение

/ ) или импульснымметодом (отношениеамплитуд токаколлектораи базы).

При измеренииh-параметровнаибольшиетрудностивозникают приопределениикоэффициентаобратной связипо напряжению,

.Поэтому обычноизмеряют параметры , , а затем вычисляютпо формулампересчетазначение .Измерениямалосигнальныхпараметровпроизводятсяна частотахне более 1000Гц.

46

12. Основныепараметрыбиполярноготранзистора.

Электрическиепараметры.

Напряжениенасыщенияколлектор-эмиттерпри

, не более---------------------------- 0,3 В

Статическийкоэффициентпередачи токав схеме с общимэмиттером при

, :

при Т=298К ------------ 30 – 90

при Т=358К ------------ 30 – 180

при Т=228К ------------- 15 – 90

Модулькоэффициентапередачи токапри f=100МГц,

, не более------------------------------- 3

Емкостьколлекторногоперехода при

,f=10МГц не более--- 6 пФ

Емкостьэмиттерногоперехода при

,f=10МГц не более------ 8 пФ

Обратныйток коллекторапри

не более:

приТ=228 К иТ =298 К ------- 1 мкА

при Т=358 К --------------------- 10мкА

Обратныйток коллектор– эмиттер при

, не более

100 мкА

Предельныеэксплутационныеданные.

Постоянноенапряжениеколлектор –эмиттер при

--------- 17 В

Постоянноенапряжениебаза – эмиттерпри ------------------------------------- 4В

Постоянныйток коллектора:

приТ=298 К ----------------- 10 мА

приТ=358 К ----------------- 5 мА

Импульсныйток коллекторапри

, ---------------------25 мА

Постояннаярассеиваемаямощность коллектора:

приТ=228 - 298 К ----------------- 1мВт

приТ=358 К ------------------------ 5мВт

Импульснаярассеиваемаямощность коллектора

, 50 мВт

Температураокружающейсреды------------------------------------От 228до 358 К

Максимальнодопустимаяпостояннаярассеиваемаямощность коллекторав мВтпри Т=298 – 358К определяетсяпо формуле:

Графики:

Рис12-1 Входные

характеристики

Рис12-3 Зависимостьстатическогокоэффициентапередачи токаот напряженияколлектор-эмиттер

Рис12-2 Зависимостьобратного токаколлектораот температуры

Рис12-4 Зависимостьстатическогокоэффициентапередачи токаот тока эмиттера

48

13. Применениебиполярныхтранзисторовв электронныхсхемах.

Данный радиомикрофонпредназначендля озвучиваниямероприятий,и т. д. Устройствоработает в УКВдиапазоне начастоте 87,9 МГц,специальноотведеннойдля радиомикрофонов,и его сигналыпринимают наобычный радиовещательныйприемник сдиапазономУКВ-2. Дальностьдействиярадиомикрофонав пределахпрямой видимости— более 200 м.

Схема и принципдействия.Схема радиомикрофонаприведена нарис. 13-1. Передатчиксобран на транзистореVT4 по однокаскаднойсхеме. Такоерешение дляминиатюрногоустройства,каким являетсярадиомикрофон,оправдано, таккак использованиев передатчикеотдельнозадающегогенератораи выходногокаскада приводитк снижению егоэкономичностии возрастаниюгабаритов.

Как известно,частота LC-генератора,работающегов области 100 МГц,существеннозависит отнапряженияпитания.

Передатчиксодержит дваконтура — контурL1C9C10C12C13VD2, Задающийчастоту генератора,и выходнойконтур L3C15C16, связанныйс антенной. Этоповышает стабильностьгенерируемойчастоты.

Задающийконтур подключенк транзисторуVT4 по схеме Клаппа.Влияние измененияпараметровтранзистораVT4 при изменениипитающегонапряженияна задающийконтур введенок минимумувыбором малогокоэффициентавключениятранзисторав контур (определяетсяемкостьюконденсаторовСЮ, С12,

С13). Для повышениятемпературнойстабильностичастоты примененыконденсаторыС9, СЮ, С12, С13 с малымТКЕ, а коэффициентвключения взадающий контурварикапа VD2 невеликиз-за малойемкости конденсатораС9.

ВыходнойП-коктур позволяетсогласоватьантенну с выходомтранзистора

VT4 и улучшаетфильтрациювысших гармоник.Выходной контурнастроен начастоту второйгармоникизадающегоконтура. Этоуменьшаетвлияние выходногоконтура назадающий контурчерез емкостьпереходаколлектор—базатранзистораVT4, благодарячему улучшаетсястабильностьчастоты передатчика.За счет всехэтих мер уходчастоты передатчикапри изменениипитающегонапряженияот 5 до 10 В невелики подстройкиприемника впроцессе работыне требуется.

Звуковойсигнал с электретногомикрофонаВМ1 поступаетна вход микрофонногоусилителя,собранногона операционномусилителе (ОУ)DA2. Питание микрофонполучает черезрезистор R1 иразвязывающуюцепь R5C2. Для сниженияпотребляемоймощности наместе DA2 использованмикромощныйОУ К140УД12. РезисторR10 задает потребляемыйток ОУ около0,2 мА. Большоймощности отмикрофонногоусилителя нетребуется,потому что оннагружен наварикап, а мощностьуправленияварикапом,представляющимсобой обратносмещенныйдиод, крайнемала R7 и сопротивлениеучастка сток—истокполевого транзистораVT1 образуют цепьотрицательнойобратной связи,определяющейкоэффициентусиления микрофонногоусилителя.Канал полевоготранзистораVT1 служит регулируемымсопротивлениемв системе АРУ.При напряжениизатвор—исток,близком к нулевому,сопротивлениеканала — около1 кОм и коэффициентусиления микрофонногоусилителяблизок к 100. Привозрастаниинапряжениядо 0,5... 1 В сопротивлениеканала повышаетсядо 100 кОм а коэффициентусиления микрофонногоусилителяуменьшаетсядо 1. Это обеспечиваетпочти неизменныйуровень сигналана выходемикрофонногоусилителяпри измененииуровня сигналана его входев широких пределах.

КонденсаторС4 создает спадАЧХ микрофонногоусилителя вобласти высокихчастот дляуменьшенияглубины модуляциина этих частотахи предотвращениярасширенияспектра сигналапередатчика.КонденсаторСЗ блокируетцепь обратнойсвязи усилителяDA2 по постоянномутоку. Черезрезистор R4 нанеинвертирующийвход ОУ DA2 поступаетнапряжениесмещения,необходимоепри однополярномпитании.

ТранзисторVT3 выполняетфункцию детекторасистемы АРУи управляетполевым транзисторомVT1. Порог срабатываниясистемы АРУустанавливаетсяподстроеннымрезисторомR12. Когда сигналс выхода микрофонногоусилителя иотпирающеенапряжениесмещения счасти резистораR12 в сумме сравняютсяс напряжениемоткрыванияпереходаэмиттер—базатранзистораVT3, последнийоткрывается,подавая напряжениена затвор полевоготранзистораVT1. Сопротивлениеканала полевоготранзистораVT1 увеличивается,и коэффициентусилениямикрофонногоусилителяуменьшается.

БлагодаряАРУ амплитудасигнала навыходе усилителяподдерживаетсяпрактическина постоянномуровне. Этотуровень можнорегулировать,меняя резисторомR12 напряжениесмещения транзистораVT3. Цепь R9C5 задаетпостояннуювремени срабатывания,а цепь R8C5 — постояннуювремени восстановлениясистемы АРУ.Для компенсациитемпературныхизмененийнапряженияоткрыванияперехода эмиттер-база транзистораVT3 напряжениена резисторR12 подано с диодаVD1,

ТранзисторVT3, цепь формированияпорога срабатыванияАРУ R11R12VD1 и резисторR4, через которыйпоступаетсмещение нанеинвертирующийвход ОУ, получаютпитание отстабилизаторанапряженияDA1. Это же напряжениеподано черезрезистор R14 вкачестве наприжениясмещения наварикап VD2.Так какемкость варикапасущественнозависит отприложенногок нему напряжениясмещения, ток его стабильностипредъявляютсяжесткие требования.Поэтому стабилизаторомDA1 служит микросхемаКР142ЕН19, представляющаясобой стабилизаторнапряженияпараллельноготипа. ВыборомрезисторовR2 и R3 задаютнапряжениестабилизацииоколо 3,5 В на выводе3 микросхемыDA1. Балластнымсопротивлениемслужит генератортока на полевомтранзистореVT2. что повышаетэкономичностьстабилизатора.

Рис 13-1 Электрическаяпринципиальнаясхема радиомикрофона.

51

14.Литература

1.И.П. Жеребцов«Основы Электроники»,Ленинград«Энергатомиздат»1985 г.

2.В.Г. Гусев, Ю.М.Гусев «Электроника»,Москва «Высшаяшкола» 1991 г.

3.В.В. Пасынков,Л.К. Чирикин«Полупроводниковыеприборы», Москва «Высшая школа»1987 г.

4.В.А. Батушев«Электронныеприборы», Москва«Высшая школа»1980 г.

5.Морозова И.Г.«Физика электронныхприборов»,Москва «Атомиздат»1980 г.

6.Полупроводниковыеприборы. Транзисторы.Справочник/под ред. Н.Н.Горюнова, Москва«Энергатомиздат»1985 г.

7.Журнал«Радио»

Web-литература

1.www.referat.ru

2.www.radiofanat.ru

3.www.radio.ru

52

МинистерствоОбразованияРеспубликиМолдова

ТехническийУниверситетМолдовы

ФакультетРадиоэлектроникии Телекоммуникаций

КафедраТелекоммуникаций

Курсоваяработа

подисциплинеРадиоэлектроникаI

Тема:Анализ и моделированиебиполярныхтранзисторов.

Выполнил: Студентгруппы TLC-034

РаецкийНиколай

Проверил: Зав.кафедройТелекомуникаций

БежанНиколай Петрович

Chişinău2004

Содержание

Курсовойработы по дисциплинеРадиоэлектроникаI.

Тема:Анализ и моделированиебиполярныхтранзисторов.

1. Задание.

2. Введение.

3. ТехнологияизготовлениябиполярноготранзистораКТ 380.

4. Анализ процессовв биполярномтранзисторе.

5. Статическиехарактеристикибиполярноготранзисторавключенногопо схеме с общимэмиттером,общей базойи общим коллектором.

6. Анализэквивалентнахсхем биполярноготранзистора.

7. Н – параметрыбиполярноготранзистора.

8. Работа биполярноготранзисторана высокихчастотах.

9. Работа биполярноготранзисторав импульсномрежиме.

10. Математическаямодель биполярноготранзистора.

11. Измерениепараметровбиполярноготранзистора.

12. Основныепараметрыбиполярноготранзистора.

13. Применениебиполярныхтранзисторовв электронныхсхемах(на примерерадиомикрофона).

14. Литература.

2

2. Введение.

Историческаясправка.Объем исследованийпо физике твердоготела нарасталс 1930-х годов, а в1948 было сообщенооб изобретениитранзистора.За созданиемтранзисторапоследовалнеобычайныйрасцвет наукии техники. Былдан толчокисследованиямв области выращиваниякристаллов,диффузии втвердом теле,физики поверхностии во многихдругих областях.Были разработаныразные типытранзисторов,среди которыхможно назватьточечный германиевыйи кремниевыйс выращеннымипереходами,полевой транзистор(ПТ) и транзисторсо структуройметалл – оксид– полупроводник(МОП-транзистор).Были созданытакже устройствана основеинтерметаллическихсоединенийэлементовтретьего ипятого столбцовпериодическойсистемы Менделеева;примером можетслужить арсенидгаллия. Наиболеераспространеныпланарныекремниевые,полевые и кремниевыеМОП-транзисторы.Широко применяютсятакже такиеразновидноститранзистора,как триодныетиристоры исимисторы,которые играютважную рольв технике коммутациии регулированиисильных токов.

В 1954 было произведенонемногим более1 млн. транзисторов.Сейчас этуцифру невозможнодаже указать.Первоначальнотранзисторыстоили оченьдорого. Сегоднятранзисторныеустройствадля обработкисигнала можнокупить за несколькоцентов.

Без транзисторовне обходитсяне одно предприятие,которое выпускаетэлектронику.На транзисторахоснована всясовременнаяэлектроника.Их широко применяютв теле, радиои компьютерныхаппаратурах.

Транзисторыпредставляютсобой полупроводниковыеприборы с двумяp-n-переходами.В простейшемслучае транзисторысостоят изкристаллагермания и двухостриёв (эмиттери коллектор),касающихсяповерхностикристалла нарасстоянии20-50 микронов другот друга. Каждоеостриё образуетс кристалломобычный выпрямительныйконтакт с прямойпроводимостьюот острия ккристаллу. Еслимежду эмиттероми базой податьнапряжениепрямой полярности,а между коллектороми базой - обратнойполярности,то оказывается,что величинатока коллекторанаходится впрямой зависимостиот величинытока эмиттера.

Плоскостнойтранзисторсостоит изкристаллаполупроводника(германия, кремния,арсенида, индия,астата, и др.),имеющего трислоя различнойпроводимостиp иn.Проводимостьтипа pсоздаётсяизбыточныминосителямиположительныхзарядов, такназываемыми"дырками",образующиесяв случае недостаткаэлектроновв слое. В слоетипа nпроводимостьосуществляетсяизбыточнымиэлектронами.

Рис 1-1. n-p-nтранзистор

Таким образом,возможны дватипа плоскостныхтранзисторов:p-n-p,в котором дваслоя типа p(например, германия)разделены слоемn,n-p-n,в котором дваслоя типа nразделены слоемтипа p.

Из транзисторовможно составитьсхемы различныхназначений.Например можнособрать усилителитока, мощности,усилителизвуковых частот,декодеры аудио,видео, теле-радиосигналов, атакже простейшиелогическиесхемы, основанныена принципеи-или-не.

ТранзисторыКТ380 – кремниевыеэпитаксиально-планарныеp-n-pуниверсальныевысокочастотныемаломощные.

Предназначеныдля работы впереключающихсхемах, в схемахусилителейвысокой частотыгерметезированойаппаратуры.

Бескорпусные,с гибкими выводамис гибкими выводами,с защитнымпокрытием.Транзисторыпомещаютсяв герметическуюзаводскуюупаковку. Обозначениетипа и цоколевкаприводятсяв паспорте.

Масса транзисторане более 0,01 г.

5

3. ТехнологияизготовлениябиполярноготранзистораКТ380.

Эпитаксиальнаятехнологияпозволяетрасширитьрабочий диапазонтранзисторов,особенно ключевых,за счет уменьшенияпоследовательногосопротивленияколлектора.Она основанана выращиванииочень тонкогослоя полупроводника(достаточногодля формированияактивных элементов)поверх исходногослоя того жесамого материала.Этот эпитаксиальныйслой представляетсобой продолжениеисходнойкристаллическойструктуры, нос уровнемлегирования,необходимымдля работытранзистора.Подложку сильнолегируют (досодержаниялегирующейпримеси порядка0,1%), тщательнополируют изатем промывают,посколькудефекты наповерхностиподложки сказываютсяна совершенствеструктурыэпитаксиальногослоя.

Выращиваниесовершенногоэпитаксиальногослоя – оченьсложный процесс,требующийтщательноговыбора материалови поддержанияисключительнойобщей чистотыв системе. Слойвыращиваетсяметодом химическогоосаждения изпаровой фазы,обычно из паровтетрахлоридакремния SiCl₄.При этом используетсяводород, которыйвосстанавливаетSiCl₄ дочистого кремния,осаждающегосязатем на подложкепри температуреоколо 1200 ⁰С.Скорость ростаэпитаксиальногослоя – порядка1 мкм/мин, но ееможно регулировать.Для легированияслоя в рабочуюкамеру вводятмышьяк (примесьn-типа),фосфор (n-тип)или бор (p-тип).Обычно выращиваюттолько одинслой, но в некоторыхслучаях, напримерпри изготовлениимногослойныхтиристоров,получают дваслоя – один n,а другой p-типа.Толщина эпитаксиальногослоя составляетот несколькихмикрометровдля сверхвысокочастотныхтранзисторовдо 100 мкм длявысоковольтныхтиристоров.Эпитаксиальныйматериал даетвозможностьизготавливатьтранзисторыдля усилителейи электронныхключей.

В противоположностьтехнологиимезаструктур,при которойдиффузия происходитравномернопо всей поверхностиполупроводника,планарнаятехнологиятребует, чтобыдиффузия былалокализована.Для остальнойчасти поверхностинеобходимамаска. Идеальнымматериаломдля маски являетсядиоксид кремния,который можнонаращиватьповерх кремния.Так, сначалав атмосферевлажного кислородапри 1100 ⁰Свыращиваютслой диоксидатолщиной около1000 нм (это занимаетпримерно часс четвертью).На выращенныйслой наносятфоторезист,который можетбыть сенситизировандля проявленияультрафиолетовымсветом. На фоторезистнакладываютмаску с контурамибазовых областей,в которых должнапроводитьсядиффузия (ихтысячи на однойподложке), иэкспонируютфоторезистпод освещением.На участках,не закрытыхнепрозрачноймаской, фоторезистзатвердеваетпод действиемсвета. Теперь,когда фоторезистпроявлен, еголегко удалитьрастворителемс тех мест, гдеон не затвердел,и на этих местахоткроетсянезащищенныйдиоксид кремния.Для подготовкиподложки кдиффузии незащищенныйдиоксид вытравливаюти пластинкупромывают.(Здесь речьидет об «отрицательном»фоторезисте.Существуеттакже «положительный»фоторезист,который, наоборот,после освещениялегко растворяется.)Диффузию проводяткак двухстадийныйпроцесс: сначаланекотороеколичестволегирующейпримеси (борав случаеn-p-n-транзисторов)вводят в базовыйповерхностныйслой, а затем– на нужнуюглубину. Первуюстадию можноосуществлятьразными способами.В наиболеераспространенномварианте пропускаюткислород черезжидкий трихлоридбора; диффузантпереноситсягазом к поверхностии осаждаетсяпод тонкимслоем борсодержащегостекла и в самомэтом слое. Послетакой начальнойдиффузии стеклоудаляют и вводятбор на нужнуюглубину, в результатечего получаетсяколлекторныйp-n-переходв эпитаксиальномслое n-типа.Далее выполняютэмиттернуюдиффузию. Поверхбазового слоянаращиваютдиоксид, и внем прорезаютокно, черезкоторое за однустадию диффузиейвводят примесь(обычно фосфор),формируя темсамым эмиттер.Степень легированияэмиттера покрайней мерев 100 раз больше,чем степеньлегированиябазы, что необходимодля обеспечениявысокой эффективностиэмиттера.

В обоихдиффузионныхпроцессах,упомянутыхвыше, переходыперемещаютсякак по вертикали,так и в боковомнаправлениипод диоксидомкремния, такчто они защищеныот воздействияокружающейсреды. Многиеустройствагерметизируютповерхностнымслоем нитридакремния толщинойоколо 200 нм. Нитридкремния непроницаемдля щелочныхметаллов, таких,как натрий икалий, которыеспособны проникатьсквозь диоксидкремния и «отравлять»поверхностив переходахи поблизостиот них. Далеес использованиемметодов фотолитографиина поверхностьустройстванапыляют металлконтакта (алюминийили золото),отделенныйот кремниядругим металлом(например,вольфрамом,платиной илихромом), впекаютего в областибазового иэмиттерногоконтактов, аизлишек удаляют.Затем полупроводниковуюпластинку путемраспиливанияили разламыванияпосле надрезанияразделяют наотдельныемикрокристаллы,которые прикрепляютсяк позолоченномукристаллодержателюили выводнойрамке (чащевсего эвтектическимприпоем кремний– золото). С выводамикорпуса эмиттери базу соединяютзолотымипроволочками.Транзисторгерметизируютв металлическомкорпусе илипутем заделкив пластик (последнеедешевле).

Первоначальноконтакты делалииз алюминия,но оказалось,что алюминийобразует сзолотом хрупкоесоединение,обладающеевысоким сопротивлением.Поэтому проволочныеконтакты изалюминиевойили золотойпроволочкистали отделятьот кремниядругим металлом– вольфрамом,платиной илихромом.

Граничнаячастота транзисторовобщего назначениясоставляетнесколько сотмегагерц –примерно столькоже, сколькобыло у раннихвысокочастотныхгерманиевыхтранзисторов.В настоящеевремя длявысокочастотныхтипов эта границапревышает 10000 МГц. Мощныетранзисторымогут работатьпри мощности200 Вт и более (взависимостиот типа корпуса),и нередкиколлекторныенапряженияв несколькосот вольт.Используютсякремниевыепластинкиразмером несколькосантиметров,причем на однойтакой пластинкеформируетсяне менее 500 тыс.транзисторов.

Транзисторныеструктуры могутбыть разноговида. Транзисторыдля низкочастотныхсхем с низкимуровнем сигналанередко имеютточечно-кольцевуюконфигурацию(точка – эмиттер,кольцо – база),которая, однако,не нашла широкогопримененияв тех случаях,когда предъявляютсятребованиявысокой частотыи большой мощности.В таких случаяхи в транзисторахмногих низкочастотныхтипов чащевсего применяетсявстречно-гребенчатаяструктура. Этокак бы два гребешкас широкимипромежуткамимежду зубцами,расположенныена поверхноститак, что зубцыодного входятмежду зубцамидругого. Одиниз них являетсяэмиттером, адругой – базой.База всегдаполностьюохватываетэмиттер. Основнаячасть гребешкаслужит токовойшиной, равномернораспределяющейток, так чтовсе эмиттерныезубцы имеютодинаковоесмещение и даютодинаковыйток. Это оченьважно длясильноточныхприборов, вкоторых локальнаянеоднородностьсмещения можетвследствиеместного нарастаниятока привестик точечномуперегреву. Внормальномрабочем режиметемператураперехода втранзисторахдолжна бытьниже 125⁰С(при ~150⁰Спараметрыприбора начинаютбыстро изменяться,и работа схемынарушается),а потому в мощныхтранзисторахнеобходимодобиватьсяравномерногораспределениятока по всейих площади.Сильноточныеустройствачасто разделяютна секции (группызубцов, илималых транзисторов),соединенныемежду собойтоковыми шинамис малым сопротивлением.

В транзисторахдля диапазонасверхвысокихчастот – другиетрудности. Ихмаксимальнаярабочая частотаограничиваетсявременем задержки,которое требуетсядля зарядкиэмиттерногои коллекторногопереходов(посколькузаряд переходовзависит отнапряжения,они ведут себякак конденсаторы).Это время можносвести к минимуму,уменьшив допредела площадьэмиттера. Посколькуэффективнодействует лишьпериферийнаячасть эмиттера,зубцы делаюточень узкими;зато число ихувеличиваюттак, чтобы получитьнужный ток.Ширина зубцатипичноговысокочастотногоэмиттера составляет1–2 мкм, и таковыже промежуткимежду зубцами.База обычноимеет толщину0,1–0,2 мкм. На частотахвыше 2000 МГц времяпереноса зарядачерез базу ужене являетсяопределяющейхарактеристикой– существеннотакже времяпереноса черезобласть коллектора;однако этотпараметр можноуменьшитьтолько путемуменьшениявнешнего напряженияна коллекторе.

8

4. Анализпроцессов вбиполярномтранзисторе

Рассмотримпрежде всего,как работаеттранзистор(для примератипа n-р-n)в режиме безнагрузки, когдавключены толькоисточникипостоянныхпитающихнапряженийE₁и E₂(рис. 4-1,а). Полярностьих такова, чтона эмиттерномпереходенапряжениепрямое, а наколлекторномпереходе - обратное.Поэтому сопротивлениеэмиттерногоперехода малои для получениянормальноготока в этомпереходе достаточнонапряженияЕ₁ вдесятые доливольта. Сопротивлениеколлекторногоперехода велико,и напряжениеЕ₂ обычносоставляетединицы илидесятки вольт. Из схемы нарис. 4-1,а видно,что напряжениемежду электродамитранзисторасвязаны простойзависимостью:

(4.1)

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда

и, следовательно, .

Вольтампернаяхарактеристикаэмиттерногоперехода представляетсобой характеристикуполупроводниковогодиода при прямомтоке. А вольтампернаяхарактеристикаколлекторногоперехода подобнахарактеристикедиода при обратномтоке.

Принцип работытранзисторазаключаетсяв том, что прямоенапряжениеэмиттерногоперехода, т. е.участка база-эмиттер(

),существенновлияет на токколлектора:чем больше этонапряжение,тем больше токиэмиттера иколлектора.При этом изменениятока коллекторалишь незначительноменьше измененийтока эмиттера.Таким образом,напряжение ,т. е. входноенапряжение,управляет токомколлектора.Усилениеэлектрическихколебаний спомощью транзистораосновано именнона этом явлении.

Рис 4-1. Движениеэлектронови дырок в транзисторахтипа n-р-nи р-n-р.

Физическиепроцессы втранзисторепроисходятследующимобразом. Приувеличениипрямого входногонапряжения

понижаетсяпотенциальныйбарьер, в эмиттерномпереходе исоответственновозрастаетток через этотпереход токэмиттера .Электроны этоготока инжектируютсяиз эмиттерав базу и благодарядиффузии проникаютсквозь базув коллекторныйпереход, увеличиваяток коллектора.Так как коллекторныйпереход работаетпри обратномнапряжении,то в этом переходевозникаютобъемные заряды,показанныена рисункекружками сознаками «+» и«-» . Между нимивозникаетэлектрическоеполе. Оно способствуетпродвижению(экстракции)через коллекторныйпереход электронов,пришедших сюдаот эмиттера,т. е. втягиваетэлектроныобласть коллекторногоперехода.

Если толщинабазы достаточномала и концентрациядырок в нейневелика, тобольшинствоэлектронов,пройдя черезбазу, не успеваетрекомбинироватьс дырками базыи достигаетколлекторногоперехода. Лишьнебольшая частьэлектроноврекомбинируетв базе с дырками.В результатерекомбинациивозникает токбазы, протекающийв проводе базы.Действительно,в установившемсярежиме числодырок в базедолжно бытьнеизменным.Вследствиерекомбинациикаждую секундусколько-тодырок исчезает,но столько женовых дыроквозникает засчет того, чтоиз базы уходитв направлениик плюсу источникаE₁такое же числоэлектронов.Иначе говоря,в базе не можетнакапливатьсямного электронов.Если некотороечисло инжектированныхв базу из эмиттераэлектроновне доходит доколлектора,а остается вбазе, рекомбинируяс дырками, тоточно такоеже число электроновдолжно уходитьиз базы в видетока

.Поскольку токколлектораполучаетсяменьше токаэмиттера, тов соответствиис первым закономКирхгофа всегдасуществуетследующеесоотношениемежду токами:

(4.2)

Ток базыявляется бесполезными даже вредным.Желательно,чтобы он былкак можно меньше.Обычно

составляетпроценты токаэмиттера, т. е. и, следовательно,ток коллекторалишь незначительноменьше токаэмиттера. т. е.можно считать .Именно длятого, чтобы ток был как можноменьше, базуделают оченьтонкой и уменьшаютв ней концентрациюпримесей, котораяопределяетконцентрациюдырок. Тогдаменьшее числоэлектроновбудет рекомбинироватьв базе с дырками.

Если бы базаимела значительнуютолщину иконцентрациядырок в нейбыла велика,то большаячасть электроновэмиттерноготока, диффундируячерез базу,рекомбинировалабы с дыркамии не дошла быдо коллекторногоперехода. Токколлекторапочти не увеличивалсябы за счет электроновэмиттера, анаблюдалосьбы лишь увеличениетока базы.

Когда к эмиттерномупереходу напряжениене приложено,то практическиможно считать,что в этом переходепочти нет тока.В этом случаеобласть коллекторногоперехода имеетбольшое сопротивлениепостоянномутоку, так какосновные носителизарядов удаляютсяот этого переходаи по обе стороныот границысоздаютсяобласти, обеденныеэтими носителями.Через коллекторныйпереход протекаетлишь оченьнебольшойобратный ток,вызванныйперемещениемнавстречу другдругу неосновныхносителей, т.е. электронов из р-областии дырок из n-области.

Но если поддействиемвходного напряжениявозник значительныйток эмиттера,то в областьбазы со стороныэмиттераинжектируютсяэлектроны,которые дляданной областиявляются неосновныминосителями.Не успеваярекомбинироватьс дырками придиффузии черезбазу, они доходятдо коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит кколлекторномупереходу и темменьше становитсяего сопротивление.Соответственноувеличиваетсяток коллектора.Иначе говоря,с увеличениемтока эмиттерав базе возрастаетконцентрациянеосновныхносителей,инжектированныхиз эмиттера,а чем большеэтих носителей,тем больше токколлекторногоперехода, т. е.ток коллектора

.

Данное одномуиз электродовтранзистораназвание «эмиттер»подчеркивает,что происходитинжекция электроновиз эмиттерав базу. Применениетермина «инжекция»необходимодля того, чтобыотличать данноеявление отэлектроннойэмиссии, в результатекоторой получаютсясвободныеэлектроны ввакууме илиразреженномгазе.

По рекомендуемойтерминологииэмиттеромследует называтьобласть транзистора,назначениемкоторой являетсяинжекция носителейзаряда в базу.Коллекторомназывают область,назначениемкоторой являетсяэкстракцияносителейзаряда из базы.А базой являетсяобласть, в которуюинжектируютсяэмиттером неосновныедля этой областиносители заряда.

Следуетотметить, чтоэмиттер и коллекторможно поменятьместами (такназываемыйинверсныйрежим). Но втранзисторах,как правило,коллекторныйпереход делаетсясо значительнобольшей площадью,нежели эмиттерныйпереход, таккак мощность,рассеиваемаяв коллекторномпереходе, гораздобольше, чемрассеиваемаяв эмиттерном.Поэтому еслииспользоватьэмиттер в качествеколлектора,то транзисторбудет работать,но его можноприменятьтолько призначительноменьшей мощности,что нецелесообразно.Если площадипереходовсделаны одинаковыми(транзисторыв этом случаеназываютсимметричными),то любая изкрайних областейможет с одинаковымуспехом работатьв качествеэмиттера иликоллектора.

Посколькув транзистореток эмиттеравсегда равенсумме токовколлектораи базы, то приращениетока эмиттератакже всегдаравно суммеприращенийколлекторногои базовоготоков:

(4.3)

Важным свойствомтранзистораявляетсяприблизительнолинейная зависимостьмежду его токами,т. е. все три токатранзистораизменяютсяприблизительнопропорциональнодруг Другу.Пусть, для примера,

=10мА,

= 9,5 мА,

=0,5 мА. Если токэмиттера увеличится,например, на20% и станет равным10 + 2 = 12 мА. то остальныетоки возрастуттакже на 20%:

= 0,5 + 0.1 = 0,6 мА и

=9,5 + 1,9 = 11,4 мА, так каквсегда должнобыть выполненоравенство(4.2), т.е. 12 мА=11,4 мА +0,6 мА. А для приращениятоков справедливоравенство(4.3), т. е. 2 мА = 1,9 мА +0,1 мА.

Мы рассмотрелифизическиеявления в транзисторетипа п-р-п. Подобныеже процессыпроисходятв транзисторетипа р-п-р нов нем меняютсяролями электроныи дырки, а такжеизменяютсяна обратныеполярностинапряженийи направлениятоков (рис. 4-2,б).В транзисторетипа р-п-р изэмиттера в базуинжектируютсяне электроны,а дырки. Ониявляются длябазы неосновныминосителями.С увеличениемтока эмиттерабольше такихдырок проникаетчерез базу кколлекторномупереходу. Этовызывает уменьшениеего сопротивленияи возрастаниетока коллектора.Работу транзистора можно наглядно представитьс помощьюпотенциальнойдиаграммы,которая показанана рис. 4-2 длятранзисторатипа n-р-n.

Рис. 4-2. Потенциальнаядиаграмматранзистора

Эту диаграммуудобно использоватьдля созданиямеханическоймодели транзистора.Потенциалэмиттера принятза нулевой. Вэмиттерномпереходе имеетсянебольшойпотенциальныйбарьер. Чембольше напряжение

,тем ниже этотбарьер. Коллекторныйпереход имеетзначительнуюразностьпотенциалов,ускоряющуюэлектроны. Вмеханическоймодели шарики,аналогичныеэлектронам,за счет своихсобственныхскоростейподнимаютсяна барьер,аналогичныйэмиттерномупереходу, проходятчерез областьбазы, а затемускоренноскатываютсяс горки, аналогичнойколлекторномупереходу.

Помимо рассмотренныхосновных физическихпроцессов втранзисторахприходитсяучитывать ещеряд явлений.

Существенноевлияние наработу транзисторовоказываетсопротивлениебазы

,т.е. сопротивление,которое базаоказывает токубазы .Этот ток протекаетк выводу базыв направлении,перпендикулярномнаправлениюэмиттер — коллектор.Так как базаочень тонкая,то в направленииот эмиттерак коллектору,т. е. для тока ,ее сопротивлениеочень мало ине принимаетсяво внимание.А в направлениик выводу базысопротивлениебазы (его называютпоперечным)достигает сотенОм, так как вэтом направлениибаза аналогичнаочень тонкомупроводнику.Напряжениена эмиттерномпереходе всегдаменьше, чемнапряжение ,между выводамибазы и эмиттера,так как частьподводимогонапряжениятеряется насопротивлениибазы. С учетомсопротивления можно изобразитьэквивалентнуюсхему транзисторадля постоянноготока так, какэто сделанона рис. 4-3. На этойсхеме —сопротивлениеэмиттера, вкоторое входятсопротивлениеэмиттерногоперехода иэмиттернойобласти. Значение у маломощныхтранзисторовдостигаетдесятков Ом.Это вытекаетиз того, чтонапряжениена эмиттерномпереходе непревышаетдесятых долейвольта, а токэмиттера втаких транзисторахсоставляетединицы миллиампер.У более мощныхтранзисторов больше и соответственноменьше. Приближенно определяетсяформулой (вОмах)

(4.4)

где ток

,выражаетсяв миллиамперах.

Сопротивлениеколлектора

представляетсобой практическисопротивлениеколлекторногоперехода исоставляетединицы и десяткикилоОм. В неговходит такжесопротивлениеколлекторнойобласти, но оносравнительномало и им можнопренебречь.

Схема на рис.4-3 является весьмаприближенной,так как на самомделе эмиттер,база и коллекторимеют междусобой контактне в одной точке,а во множестветочек по всейплощади переходов.Тем не менееэта схема можетприменятьсядля рассмотрениямногих процессовв транзисторе.

Рис. 4-3. Эквивалентнаясхема транзисторадля постоянноготока

При повышениинапряженияна коллекторномпереходе в немпроисходитлавинное размножениеносителейзаряда, являющеесяглавным образомрезультатомударной ионизации.Это явлениеи туннельный,эффект могутвызвать электрическийпробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой перехода.

Изменениенапряженийна коллекторноми эмиттерномпереходахсопровождаетсяизменениемтолщины этихпереходов. Врезультатеизменяетсятолщина базы.Такое явлениеназывают модуляциейтолщины базы.Его особеннонадо учитыватьпри повышениинапряженияколлектор -база, так кактогда толщинаколлекторногоперехода возрастает,а толщина базыуменьшается.При очень тонкойбазе можетпроизойтиэффект смыкания(«прокол» базы)- соединениеколлекторногоперехода сэмиттерным.В этом случаеобласть базыисчезает итранзисторперестаетнормальноработать.

При увеличенииинжекции носителейиз эмиттерав базу происходитнакоплениенеосновныхносителейзаряда в базе.т. е. увеличениеконцентрациии суммарногозаряда этихносителей.Наоборот, приуменьшенииинжекции происходитуменьшениеконцентрациии суммарногозаряда неосновныхносителей вней. Этот процессназываютрассасываниемносителейзаряда в базе.

В ряде случаевнеобходимоучитыватьпротеканиепо поверхноститранзисторатоков утечки,сопровождающеесярекомбинациейносителей вповерхностномслое областейтранзистора.

Установимсоотношениямежду токамив транзисторе.Ток эмиттерауправляетсянапряжениемна эмиттерномпереходе, нодо коллекторадоходит несколькоменьший ток_,который можноназвать управляемымколлекторнымтоком

так как частьинжектированныхиз эмиттерав базу носителейрекомбинирует.Поэтому

(4.5)

где

-коэффициентпередачи токаэмиттера, являющийсяосновным параметромтранзистора:он может иметьзначения от0,950 до 0,998.

Чем слабеерекомбинацияинжектированныхносителей вбазе, тем ближе

к 1. Через коллекторныйпереход, всегдапроходит ещеочень небольшой(не более единицмикроампер)неуправляемыйобратный ток (рис. 4-4), называемыйначальным токомколлектора.Он неуправляемпотому, что непроходит черезэмиттерныйпереход. Такимобразом, полныйколлекторныйток

(4.6)

Во многихслучаях

,и можно считать,что .Если надо измерить то это делаютпри оборванномпроводе эмиттера.Действительно,из формулы(4.6) следует, чтопри ток .

Преобразуемвыражение (4.6)так, чтобы выразитьзависимость тока

от тока базы Заменим , суммой :

Рис. 3-4. Токив транзисторе

Решим уравнение

относительно .Тогда получим

Обозначим

и

и напишемокончательноевыражение

(4.7)

Здесь

является коэффициентом передачи тока базы и составляет десятки единиц.Например, если = 0,95, то

а если коэффициент

= 0,99, т. е. увеличилсяна 0,04, то

т. е.

увеличиваетсяв 5 с лишним раз!

Таким образом,незначительныеизменения

приводят кбольшим изменениям .Коэффициент так же, как и ,относится кважным параметрамтранзистора.Если известен то можно всегдаопределить по формуле

(4.8)

Ток

называют начальнымсквозным током,так как он протекаетсквозь весьтранзистор(через три егообласти и черезоба n-p-перехода)в том случае,если ,т. е. оборванпровод базы.Действительно,из уравнения(4.7) при получаем .Этот ток составляетдесятки илисотни микроампери значительнопревосходитначальный токколлектора .Ток ,и, зная, что , нетрудно найти .А так как ,то

(4.9)

Значительныйток

объясняетсятем, что некотораянебольшая частьнапряжения приложена кэмиттерномупереходу вкачестве прямогонапряжения.Вследствиеэтого возрастаетток эмиттера,а он в данномслучае и являетсясквозным током.

При значительномповышениинапряжения

,ток резко возрастаети происходитэлектрическийпробой. Следуетотметить, чтоесли ,не слишкоммало, при обрывецепи базы иногдав транзистореможет наблюдатьсябыстрое, лавинообразноеувеличениетока, приводящеек перегревуи выходу транзистораиз строя (еслив цепи коллекторанет резистора,ограничивающеговозрастаниетока). В этомслучае происходитследующийпроцесс: частьнапряжения ,действующаяна эмиттерномпереходе, увеличиваетток ,и равный емуток ,на коллекторныйпереход поступаетбольше носителей,его сопротивлениеи напряжениена нем уменьшаютсяи за счет этоговозрастаетнапряжениена эмиттерномпереходе, чтоприводит к ещебольшему увеличениютока, и т. д. Чтобыэтого не произошло,при эксплуатациитранзисторовзапрещаетсяразрыватьцепь базы, еслине выключенопитание цепиколлектора.Надо такжесначала включить питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Если надоизмерить ток

,то в цепь коллектораобязательновключаютограничительныйрезистор ипроизводятизмерение приразрыве проводабазы.

16

5.Статическиехарактеристикибиполярноготранзистора.

Схема с общейбазой

В транзисторахв качествеодной из независимыхпеременныхобычно выбираютток эмиттера,легче поддающийсярегулированию,чем напряжение.Из характеристикнаибольшеераспространениеполучили входныеи выходныехарактеристикитранзистора.

Входныехарактеристики.Входные характеристикитранзисторовв схеме с общейбазой

при определяютсязависимостью(5.1):

(5.1)

При большомобратном напряженииколлектора(

)ток мало зависитот коллекторногонапряжения.На рис. 5-1,а показаныреальные входныехарактеристикигерманиевоготранзистора.Они соответствуюттеоретическойзависимости(5.1), подтверждаетсяи вывод о слабомвлиянии коллекторногонапряженияна ток эмиттера.

Рис 5-1

Начальнаяобласть входныххарактеристик,построеннаяв соответствиис теоретическойзависимостью(5.1), показана нарис. 5-1, а крупныммасштабом (вокружности).Отмечены токиI₁₁ и I₁₂,а также эмиттерныйток закрытоготранзистора

(5.2)

протекающийв его цепи приобратных напряженияхэмиттера иколлектора.Как следуетиз соотношения(5.1), ток эмиттераравен нулю принапряженииэмиттера

(5.3)

Такое женапряжениеустанавливаетсяна эмиттере,если он изолированот других электродов.

Реальныехарактеристикитранзисторав начальнойобласти несколькоотличаютсяот теоретических.Обратный токэмиттера прикороткозамкнутом коллекторе, обозначаемый

, отличается от тока экстракцииI₁₁ наличиемеще двух составляющих: термотока и тока поверхностной проводимости :

(5.4)

Обратныйток эмиттерапри обратномнапряженииколлектора

(5.5)

Входныехарактеристикикремниевоготранзисторапоказаны наpиc. 5-1,б.Они смещеныот нуля в сторонупрямых напряжений;как и у кремниевогодиода, смещениеравно 0,6—0,7 В. Поотношению квходным характеристикамгерманиевоготранзисторасмещение составляет0,4 В.

Выходныехарактеристики.

Теоретическиевыходныехарактеристикитранзисторав схеме с общейбазой

приI_Э=constопределяютсязависимостью(5.6):

(5.6)

Они представленына рис. 5-2,а. Вправопо горизонтальнойоси принятооткладыватьрабочее, т. е.обратное, напряжениеколлектора(отрицательноедля транзисторовтипа р-n-ри положительноедля транзисторовтипа n-р-n).Значения протекающегопри этом токаколлектораоткладываютпо вертикальнойоси вверх. Такойвыбор осейкоординатвыгоден тем,что областьхарактеристик,соответствующаярабочим режимам,располагаетсяпри этом в первомквадранте, чтоудобно длярасчетов.

Если токэмиттера равеннулю, тозависимость

представляетсобой характеристикуэлектронно-дырочногоперехода: вцепи коллекторапротекаетнебольшойсобственныйобратный токI_Коили с учетомравенства (5.7)ток I_КБо.При U_эб=0собственныйобратный токколлектора

(5.7)

При прямомнапряженииколлектораток изменяетнаправлениеи резко возрастает— открываетсяколлекторныйпереход (в целяхнаглядностина рис. 5-2 дляположительныхнапряженийвзят болеекрупный масштаб).

Рис5-2

Если же в цепиэмиттера созданнекоторый токI_э,то уже при нулевомнапряженииколлекторав его цепи всоответствиис выражением(5.6) протекаетток I_к=

I^’_эобусловленныйинжекцией дырокиз эмиттера.Поскольку этотток вызываетсяградиентомконцентрациидырок в базе,для его поддержанияколлекторногонапряженияне требуется.

П

риподаче на коллекторобратногонапряженияток его нескольковозрастаетза счет появлениясобственноготока коллекторногоперехода I_КБ0и некоторогоувеличениякоэффициентапереноса v,вызванногоуменьшениемтолщины базы.

При подачена коллекторпрямого напряженияпоявляетсяпрямой токколлекторногоперехода. Таккак он течетнавстречу токуинжекции

I_э,то результирующийток в цепи коллекторас ростом прямогонапряжениядо величиныU_K0быстро уменьшаетсядо нуля, затемпри дальнейшем Рис 5-3 повышениипрямого напряженияколлектораприобретаетобратное направлениеи начинаетбыстро возрастать.

Если увеличитьток эмиттерадо значения

,то характеристика сместитсяпропорциональновверх на величину и т. д.

На рис. 5-2,бпредставленыреальныевыходныехарактеристикитранзистораМП14; они имеюттакой же вид,как и теоретические,с учетом поправокна термотокперехода и токего поверхностнойпроводимости.

Коэффициентпередачи токаэмиттера. Какпоказываетопыт, коэффициентпередачи токаа зависит отвеличины токаэмиттера (рис.5-3).

С ростом токаэмиттераувеличиваетсянапряженностьвнутреннегополя базы, движениедырок на коллекторстановитсяболее направленным,в результатеуменьшаютсярекомбинационныепотери на поверхностибазы, возрастаеткоэффициентпереноса

,а следовательно,и .При дальнейшемувеличениитока эмиттераснижаетсякоэффициентинжекции ирастут потернна объемнуюрекомбинацию,поэтому коэффициентпередачи тока начинаетуменьшаться.

В целом зависимостькоэффициентапередачи тока

от тока эмиттерав маломощныхтранзисторахнезначительна,в чем можноубедиться, обратив вниманиена масштаб повертикальнойоси рис. 5-3.

В транзисторах,работающихпри высокойплотности тока,наблюдаетсязначительноепадение напряжениявдоль базы,обусловленноетоком базы; врезультатенапряжениев точках эмиттерногоперехода, удаленныхот вывода базы,оказываетсязаметно меньшим,чем в близлежащих.Поэтому эмиттерныйток концентрируетсяпо периметруэмиттера ближек выводу базы,эффективнаяплощадь эмиттераполучаетсяменьше, чем приравномернойинжекции, икоэффициент

быстро надаетс ростом токаэмиттера. Дляослабленияуказанногоявления применяютэлектроды,имеющие высокоеотношение длиныпериметра кплощади: кольцевыеи гребенчатые.

Схема с общимэмиттером

Ранее былирассмотреныстатическиехарактеристикитранзистора,включенногопо схеме с общейбазой, когдаобщая точкавходной и выходнойцепей находитсяна базовомэлектроде.Другой распространеннойсхемой включениятранзистораявляется схемас общим эмиттером,в которой общаяточка входнойи выходнойцепей соединена(рис. 5-4).

Входнымнапряжениемв схеме с общимэмиттеромявляется напряжениебазы

измеряемоеотносительноэмиттерногоэлектрода.Для того чтобыэмиттерныйпереход былоткрыт, напряжениебазы должнобыть отрицательным(рассматриваетсятранзистор типа р-n-р).

В

ыходнымнапряжениемв схеме с общимэмиттеромявляется напряжениеколлектора измеряемоеотносительноэмиттерногоэлектрода. Длятого чтобыколлекторныйпереход былзакрыт, напряжениеколлекторадолжно бытьбольшим повеличине, чемпрямое напряжениебазы.

Отметим, чтов схеме с общимэмиттером врабочем режиме,когда транзистороткрыт, полярностьисточниковпитания базыи коллектораодинакова.

Входныехарактеристики.Входные характеристикитранзисторав схеме с общим

Рис. 5-4 эмиттеромпредставляютсобой зависимостьтока базы отнапряжениябазы:

при ;

Зависимостьтока базы отнапряженийэмиттера иколлекторанайдем изуравнений (5.8) и (5.9).

(5.8)

(5.9)

Вычтя второеуравнение изпервого, введяобозначения

(5.10)

(5.11)

и использовав соотношения

и ,окончательнополучим

(5.12)

При большомобратном напряженииколлектора,когда

,ток базы

(5.13)

Если при этом напряжениебазы такжеобратное (

тоток базы идеальноготранзистора

(5.14)

В реальномтранзисторедобавляютсятоки утечкии термотокипереходов,поэтому обратныйток базы закрытоготранзистора

(5.15)

Входныехарактеристикитранзисторапоказаны нарис. 5-5. При обратномнапряжениибазы и коллектора,т. е. в закрытомтранзисторе,согласно выражению(5.15), ток базы

является восновном собственнымтоком коллекторногоперехода .Поэтому приуменьшенииобратногонапряжениябазы до нуляток базы сохраняетсвою величину: .

При подачепрямого напряженияна базу открываетсяэмиттерныйпереход и вцепи базы появляетсярекомбинационнаясоставляющаятока

.Ток базы в этомрежиме в соответствиис выражением ;при увеличениипрямого напряженияон уменьшаетсявначале донуля, а затемизменяет направлениеи возрастаетпочти экспоненциальносогласно соотношению(5.12).

Рис 5-5 Рис 5-6

Когда наколлекторподано большоеобратное напряжение,оно оказываетнезначительноевлияние навходные характеристикитранзистора.Как видно изрис. 5-5, при увеличенииобратногонапряженияколлекторавходная характеристикалишь слегкасмещается вниз,что объясняетсяувеличениемтока поверхностнойпроводимостиколлекторногоперехода итермотока.

При напряженииколлектора,равном нулю,ток во входнойцепи значительновозрастаетпо сравнениюс рабочим режимом

,потомучто прямой токбазы в данномслучае проходитчерез двапараллельновключенныхперехода—коллекторныйи эмиттерный.В целом уравнение(5.12) достаточноточно описываетвходные характеристикитранзисторав схеме с общимэмиттером, нодля кремниевыхтранзисторовлучшее совпадениеполучается,если вместо и брать .

Коэффициентпередачи токабазы. Найдемзависимостьтока коллектораот тока базыс помощью выражений:

,

или (5.16)

Величина

(5.17)

называетсякоэффициентомпередачи токабазы. Посколькукоэффициентпередачи токаэмиттера

близокк единице, значение обычнолежит впределах от10 до 1000 и более.

Коэффициентпередачи токабазы существеннозависит и оттока эмиттера(рис. 5-6). С ростомтока эмиттеракоэффициентпередачи токабазы вначалеповышаетсявследствиеувеличениянапряженностивнутреннегополя базы,ускоряющегоперенос дырокчерез базу кколлекторуи этим уменьшающегорекомбинационныепотери наповерхностибазы.

При значительнойвеличине токаэмиттера коэффициентпередачи токабазы

начинаетпадать за счетснижения коэффициентаинжекции, уменьшенияэффективнойплощади эмиттераи увеличениярекомбинационныхпотерь в объемебазы.

Перечисленныепричины обусловливают,как указывалось,небольшуюзависимостькоэффициентапередачи токаэмиттера аот токаэмиттера I_э(см. рис. 5-3). Нокоэффициентпередачи токабазы

при изменениитока эмиттераможет изменятьсяв несколькораз, посколькув выражении (5.17) в знаменателестоит разностьблизких величин .

Введяобозначениедля коэффициентапередачи токабазы

в выражение(5.16), получим основноеуравнение,определяющеесвязь междутоками коллектораи базы в схемес общим эмиттером:

(5.18)

Зависимостьтока коллектораот напряженийбазы и коллектораможно найтииз выражения(5.48), заменив в немU_ЭБна -U_БЭи U_КБ

(5.19)

Уравнения(5.18) и (5.19) являютсяосновнымидля транзистора,включенногопо схеме с общимэмиттером.

Выходныехарактеристики.Выходныехарактеристикитранзисторав схемес общим эмиттером

при определяютсясоотношением(5.18) и изображенына рис. 5-7. Минимальновозможнаявеличина коллекторноготока получаетсяв том случае,когда закрытыоба перехода- и коллекторабазы вэтом случаесогласно выражению(5.14)

(5.20)

где

-ток эмиттеразакрытоготранзистора.

Рис. 5-7

Ток коллекторазакрытоготранзисторав соответствиис выражениями(5.18) и (5.20)

(5.21)

Ввидумалости тока

этахарактеристикана рис.4,19 не видна,она совпадаетс осью напряжений.

При токебазы, равномнулю, что имеетместо при небольшомпрямомнапряжениибазы, когдарекомбинационнаясоставляющаятока базы

равна обратномутоку коллекторногоперехода .коллекторныйток в соответствиис выражением(5.18)

(5.22)

С ростомколлекторногонапряжениязаметно увеличениеэтого токавследствиеувеличениякоэффициентапередачи токабазы

.

При токе базы

выходнаяхарактеристикатранзисторасмещается вверхна величину .Соответственновыше идутхарактеристикипри большихтоках базы , и т. д. Ввидузависимостикоэффициентапередачи токабазы от токаэмиттера расстояниепо вертикалимежду характеристикамине остаетсяпостоянным:вначале оновозрастает,а затем уменьшается.

При сниженииколлекторногонапряжениядо величины,меньшей напряжениябазы, открываетсяколлекторныйпереход, чтодолжно былобы повлечь засобой увеличениетока базы, нопо условию ондолжен бытьпостоянным.Для поддержаниятока базы назаданном уровнеприходитсяснижать напряжениебазы, что сопровождаетсяуменьшениемтоков эмиттераи коллектора,поэтому выходныехарактеристикипри

имеют резкийспад. Транзисторпереходитв режим насыщения,при которомнеосновныеносители зарядаинжектируютсяв базу не толькоэмиттерным,но и коллекторнымпереходом Эффективностьуправленияколлекторнымтоком при этомсущественноснижается,коэффициентпередачи тока базы резкоуменьшается.

Как показанона рис. 5-7 крупныммасштабом вокружности,выходнаяхарактеристикапри наличиитока базы непроходит черезначало координат:при

на коллекторесуществуетобратное напряжение порядканесколькихдесятых вольта.Величину этогонапряжениянетрудно найтииз соотношения(5.19), обозначив при :

Отсюда

(5.23)

где

-напряжениеколлекторав схеме ОБ, прикотором ,а -напряжение,действующеев этот моментна базе.

Из формулы(5.23) вытекаетфизическийсмысл напряжения

:оно должноиметь такуювеличину, чтобысоздаваемыйим ток инжекцииколлекторногоперехода полностьюкомпенсировалпоступающийз коллекторныйпереход токинжекции эмиттерногоперехода поскольку, поусловию, результирующийколлекторныйток .

Для расчетатранзисторныхсхем иногдаприменяютвыходныехарактеристики,снятые припостоянномнапряжениибазы. Они отличаютсяот рассмотренныххарактеристик,снимаемых припостоянномтоке базы, большейнеравномерностьюрасстоянийпо вертикалимежду соседнимихарактеристиками,обусловленнойэкспоненциальнойзависимостьюмежду напряжениеми током базы.

26

6. Анализэквивалентныхсхем биполярноготранзистора.

Все параметрыможно разделитьна собственные(или первичные)и вторичные.Собственныепараметрыхарактеризуютсвойства самоготранзисторанезависимоот схемы еговключения, авторичныепараметры дляразличных схемвключенияразличны.

Рис.6-1. ЭквивалентныеТ-образныесхемы транзисторас генераторомЭДС (а) и тока(б).

В качествесобственныхпараметровпомимо знакомогонам коэффициентаусиления потоку

принимаютнекоторыесопротивленияв соответствиис эквивалентнойсхемой транзисторадля переменноготока (рис. 6-1). Этасхема, называемаяТ-образной,отображаетэлектрическуюструктурутранзистораи учитываетего усилительныесвойства. Какв этой, так и вдругих эквивалентныхсхемах следуетподразумевать,что на входвключаетсяисточник усиливаемыхколебаний,создающийвходное напряжениес амплитудой ,а на выход - нагрузкаR_H.Здесь и в дальнейшемдля переменныхтоков и напряженийбудут, как правило,указаны ихамплитуды. Вомногих случаяхони могут бытьзамененыдействующими,а иногда имгновеннымизначениями.

Основнымипервичнымипараметрамиявляютсясопротивления

, и ,г. е. сопротивленияэмиттера, коллектораи базы дляпеременноготока. Сопротивление ,представляетсобой сопротивлениеэмиттерногоперехода, ккоторомудобавляетсясопротивлениеэмиттернойобласти. Подобноэтому является суммойсопротивленийколлекторногоперехода иколлекторнойобласти, нопоследнее оченьмало по сравнениюс сопротивлениемперехода. Асопротивление есть поперечноесопротивлениебазы.

В схемена рис. 6-1,а усиленноепеременноенапряжениена выходе получаетсяот некоторогоэквивалентногогенератора,включенногов цепь коллектора;ЭДС этого генераторапропорциональна току эмиттера

.

Эквивалентныйгенератор надосчитать идеальным,а роль еговнутреннегосопротивлениявыполняетсопротивление

.Как известно.ЭДС любогогенератораравна произведениюего тока короткогозамыкания навнутреннеесопротивление.В данном случаеток короткогозамыкания равен ,так как при ,т. е. при короткомзамыкании навыходе. Такимобразом, ЭДСгенератораравна .

ВместогенератораЭДС можно ввестив схему генератортока. Тогдаполучаетсянаиболее частоприменяемаяэквивалентнаясхема (рис. 6-1, б).В ней генератортока создаетток, равный

.Значения первичныхпараметровпримерно следующие.Сопротивление ,составляетдесятки Ом, —сотни Ом, а —сотни килоОми даже единицымегаОм. Обычнок трем сопротивлениямв качествечетвертогособственногопараметрадобавляют еще .Рассмотреннаяэквивалентнаясхема транзисторапригодна толькодля низкихчастот. На высокихчастотах необходимоучитывать ещеемкости эмиттерногои коллекторногопереходов, что приводит к усложнению схемы.

Рис. 6-2. Эквивалентная Т-образная схема транзистора,включенногопо схеме ОЭ

Эквивалентнаясхема с генераторомтока для транзистора,включенногопо схеме ОЭ.показана нарис. 6-2. В ней генератордает ток

,а сопротивлениеколлекторногоперехода посравнению спредыдущейсхемой значительноуменьшилосьи равно или, приближенно еслиучесть. что и .Уменьшениесопротивленияколлекторногоперехода всхеме ОЭ объясняетсятем, что в этойсхеме некотораячасть напряжения приложена кэмиттерномупереходу иусиливает внем инжекцию.Вследствиеэтого значительноечисло инжектированныхносителейприходит кколлекторному,переходу и егосопротивлениеснижается.

Переходот эквивалентнойсхемы ОБ к схемеОЭ можно показатьследующимобразом. Напряжение,создаваемоелюбым генератором,равно разностимежду ЭДС ипадением напряженияна внутреннемсопротивлении.Для схемы порис. 6-1, а это будет

Заменимздесь

на сумму .Тогда получим

В этомвыражениипервое слагаемое

представляетсобой ЭДС, авторое слагаемоеесть падениенапряженияот тока на сопротивлении ,которое являетсясопротивлениемколлекторногоперехода. А токкороткогозамыкания,создаваемыйэквивалентнымгенераторомтока, равенотношениюЭДС к внутреннемусопротивлению,т. е.

РассмотренныеТ-образныеэквивалентныесхемы являютсяприближенными,так как на самомделе эмиттер,база и коллекторсоединены другс другом внутритранзисторане в одной точке.Но тем не менееиспользованиеэтих схем длярешения теоретическихи практическихзадач не даетзначительныхпогрешностей.

29

7.Н – параметрыбиполярноготранзистора.

В настоящеевремя основнымисчитаютсясмешанные (илигибридные)параметры,обозначаемыебуквой hили H.Название «смешанные»дано потому,что среди нихимеются двеотносительныевеличины, односопротивлениеи одна проводимость.Именно h-параметрыприводятсяво всех справочниках.Параметрысистемы hудобно измерять.Это весьмаважно, так какпубликуемые в справочниках параметры являются средними, полученными в результатеизмеренийпараметровнесколькихтранзисторовданного типа.Два из h-параметровопределяютсяпри короткомзамыкании дляпеременноготока на выходе,т. е. при отсутствиинагрузки ввыходной цепи.В этом случаена выход транзистораподается толькопостоянноенапряжение(u₂=const)от источникаЕ₂.Остальные двапараметраопределяютсяпри разомкнутойдля переменноготока входнойцепи, т. е. когдаво входной цепиимеется толькопостоянныйток (i₁=const),создаваемыйисточникомпитания. Условияи₂=constи i₁=constнетрудно осуществить на практике при измерении h-параметров.

В системуh-параметроввходят следующиевеличины.

Входноесопротивление

при u₂=const (7.1)

представляетсобой сопротивлениетранзисторамежду входнымизажимами дляпеременноговходного токапри короткомзамыкании навыходе, т. е. приотсутствиивыходногопеременногонапряжения.

При такомусловии изменениевходного тока

является результатомизменениятолько входногонапряжения .А если бы навыходе былопеременноенапряжение,то оно за счетобратной связи,существующейв транзисторе,влияло бы навходной ток.В результатевходное сопротивлениеполучалосьбы различнымв зависимостиот переменногонапряженияна выходе, которое,в свою очередь,зависит отсопротивлениянагрузки R_H.Но параметр должен характеризоватьсам транзистор(независимоот R_H),и поэтому онопределяетсяпри u₂= const,т. е. при R_H= 0.

Коэффициентобратной связипо напряжению

при (7.2)

показывает,какая долявыходногопеременногонапряженияпередаетсяна вход транзисторавследствиеналичия в немвнутреннейобратной связи.

Условие

в данном случаеподчеркивает,что во входнойцепи нет переменноготока, т. е. этацепь разомкнутадля переменноготока, и, следовательно,изменениенапряженияна входе ,есть результатизменениятолько выходногонапряжения .

Как ужеуказывалось,в транзисторевсегда естьвнутренняяобратная связьза счет того,что электродытранзистораимеют электрическоесоединениемежду собой,и за счет сопротивлениябазы. Эта обратнаясвязь существуетна любой низкойчастоте, дажепри f=0,т. е. на постоянномтоке.

Коэффициентусиления потоку (коэффициентпередачи тока)

при u₂= const (7.3)

показываетусиление переменноготока транзисторомв режиме работыбез нагрузки.

Условиеu₂= const,т. е. R_H= 0, и здесьзадается длятого, чтобыизменениевыходного тока

зависело толькоот изменениявходного тока .Именно привыполнениитакого условияпараметр будет действительнохарактеризоватьусиление токасамим транзистором.Если бы выходноенапряжениеменялось, тооно влияло бына выходнойток и по изменениюэтого тока уженельзя былобы правильнооценить усиление.

Выходнаяпроводимость

при (7.4)

представляетсобой внутреннююпроводимостьдля переменноготока междувыходнымизажимами транзистора.

Ток

должен изменятьсятолько подвлиянием изменениявыходногонапряженияи₂.Если при этомток ,не будет постоянным,то его изменениявызовут изменениятока и значение h₂₂будет определенонеправильно.

Величинаh₂₂измеряетсяв сименсах(См). Так какпроводимостьв практическихрасчетах применяетсязначительнореже, нежелисопротивление,то в дальнейшеммы часто будемпользоватьсявместо h₂₂выходнымсопротивлением

,выраженнымв Омах или килоОмах.

31