Смекни!
smekni.com

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 Сэтакже уменьшаетсвое сопротивлениес повышениемчастоты, но онавсегда шунтированамалым сопротивлениемэмиттерногоперехода

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

Сущностьвлияния емкостиСэ 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 емкостьСэ становитсянецелесооб­разной.Поэтому влияниеемкости Сэв большинствеслучаев можноне рассматривать.

Итак, вследствиевлияния емкостиСк 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 Ск,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 Ска 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 Ски времени пробеганосителей черезбазу
.К сожалению,сни­жение емкостипутем уменьшенияплощади коллекторногоперехода приводитк уменьшениюпредельноготока. т. е. к снижениюпредельноймощности.

Некоторое снижение емкости Ск 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

, 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 Скобычно 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 -------------------------------------

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.

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

приIЭ=constопре­деляютсязависимостью(5.6):

(5.6)

Они представленына рис. 5-2,а. Вправопо горизонтальнойоси принятооткладыватьрабочее, т. е.обратное, напряжениеколлектора(отрицательноедля транзисторовтипа р-nи 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 токIКоили с учетомравенства (5.7)ток IКБо.При Uэб=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 токIэ,то уже при ну­левомнапряженииколлекторав его цепи всоответствиис выражением(5.6) протекаетток Iк=

Iэобусловленныйинжекцией дырокиз эмиттера.Поскольку этотток вызываетсяградиентомконцентрациидырок в базе,для его поддержанияколлекторногонапряженияне требуется.

П

риподаче на коллекторобратногонапряженияток его нескольковозрастаетза счет появлениясобственноготока коллекторногопере­хода IКБ0и некоторогоувеличениякоэффициентапереноса v,вызван­ногоуменьшениемтолщины базы.

При подачена коллекторпрямого напряженияпоявляетсяпрямой токколлекторногоперехода. Таккак он течетнавстречу токуинжекции

Iэ,то результирующийток в цепи коллекторас ростом прямогонапряжениядо величиныUK0быстро 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 Iэ(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 немUЭБна -UБЭи UКБ

(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
-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 - нагрузкаRH.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 RH.Но параметр
должен характеризоватьсам транзистор(независимоот RH),и поэтому онопределяетсяпри u2= const,т. е. при RH= 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. RH= 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