Реферат: Физические основы электроники

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток IЭр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентра­ции дырок - неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться ре­комбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок IБ рек, так что ток подхо­дящих к коллекторному переходу дырок

.                   (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэф­фициентом переноса:

.     (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, ин­жектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному пере­ходу. Значение cБ тем ближе к единице, чем меньшее число инжек­тированных дырок рекомбинирует с электронами - основными носи­телями базовой области. Ток IБ рек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покры­вается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней це­пи, то ток IБ рек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей IЭ n.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить cБ, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации до­норов Nд Б. Это совпадает с требованием NАЭ/NДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы WБ и диф­фузионной длины дырок в базовой области Lp Б. Доказано, что име­ется приближенное соотношение

.                (3.7)

Например, при WБ/Lp Б = 0,1 cБ = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет ла­винного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5)

                  (3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

,         (3.9)

где

                 .                              (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к пол­ному току эмиттера называет статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую IКБО, которая протекает в цепи коллектор - база при IЭ = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехо­да, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллек­тора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10)

.             (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для стати­ческого коэффициента передачи тока:

,              (3.12)

числитель которого (IК - IКБО) представляет собой управляемую (за­висимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, IКр. Обычно ра­бочие токи коллектора IК значительно больше IКБО, поэтому

.                        (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

.         (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

.             (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, IК и IБ принципиально меньше тока IЭ; при этом наименьшим является ток базы

.             (3.16)

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмитте­ра

.         (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (IЭ = 0, холостой ход), то    IБ = -IКБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллектор­ного перехода. При значении I*Э = IКБО /(1-a) ток IБ = 0, а при дальней­шем увеличении IЭ (IЭ>I*Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь IК с IБ. Используя (3.11) и (3.15), получаем

,         (3.18)

где

        (3.19)

- статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть очень большим (b>>1). Например, при a = 0,99  b = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

.                  (3.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изме­няемой) части коллекторного тока (IК - IКБО) к управляемой части ба­зового тока (IБ + IКБО).

Все составляющие последнего выражения зависят от IЭ и обраща­ются в нуль при IЭ = 0. Введя обозначение

,            (3.21)

можно вместо (3.18) записать

.                     (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения IКЭО: это зна­чение тока коллектора при нулевом токе базы (IБ = 0) или при “обры­ве” базы. При IБ = 0  

IК = IЭ, поэтому ток IКЭО проходит через все обла­сти транзистора и является “сквозным” током, что и отражается ин­дексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие IБ = 0).

3.2 Статические характеристики биполярных транзисторов

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определен­ности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

3.2.1 Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость IЭ = f(UЭБ) при фиксированных значениях пара­метра UКБ - напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

При UКБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С рос­том обратного напряжения UКБ (UКБ < 0 для p-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: IЭ растет при вы­бранном значении UЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (IЭ = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение UЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при UКБ < 0 и UЭБ = 0 существует неболь­шой ток эмиттера IЭ0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении UЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представ­ляет собой зависимости IК = f(UКБ) при заданных значениях парамет­ра IЭ (рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора при IЭ = 0 и обрат­ном напряжении |UКБ < 0| подобна обратной ветви p-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11) IК = IКБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протека­ющий в цепи коллектор - база.

При IЭ > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при UКБ = 0 в результате ус­коряющего действия контактной разности потенциалов. Ток мож­но уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соот­ветствует режиму насыщения, когда существуют встречные пото­ки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока оди­наковы по величине (например, точка А' на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток IЭ, тем большее прямое напряжение UКБ требу­ется для получения IК = 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где UКБ < 0 (об­ратное) и параметр IЭ > 0 (что означает прямое напряжение UЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) IК = aIЭ + IКБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличе­нии параметра IЭ. В идеализированном транзисторе не учитыва­ется эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент переда­чи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения |UКБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характе­ристики оказываются горизонтальными (IК = const). Реально же эффект Эрли при росте |UКБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту a. Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнару­жено только измерениями. Поэтому отклонение выходных харак­теристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).

3.2.2 Схема с общим эмиттером

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представля­ет собой зависимости IБ = f(UБЭ), причем параметром является на­пряжение UКЭ (рисунок 3.6,а). Для p-n-p транзистора отрицательное напряжение UБЭ (UБЭ < 0) означает

прямое включение эмиттерного перехода, так как UЭБ = -UБЭ > 0. Если при этом UКЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход бу­дет включен в прямом направлении: UКБ = UКЭ + UЭБ = UЭБ > 0. Поэто­му входная характеристика при UКЭ = 0 будет соответствовать ре­жиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряже­ния UЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих перехо­дах (UКБ = UЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на реком­бинацию, определяющих базовый ток.

Вторая характеристика на рисунке 3.6,а (UКЭ á0)  относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение UКЭ долж­но быть в p-n-p транзисторе отрицательным и по модулю превы­шать напряжение UЭБ. В этом случае (UКБ = UКЭ + UЭБ  = UКЭ - UБЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения (3.14) или (3.17): IБ =(1 - a)IЭ - IКБО. При малом напряжении UБЭ инжекция носителей практически от­сутствует (IЭ = 0) и ток IБ = -IКБО, т.е. отрицателен. Увеличение пря­мого напряжения на эмиттерном переходе UЭБ = -UБЭ вызывает рост IЭ и величины (1 - a) IЭ. Когда (1 - a) IЭ = IКБО, ток IБ = 0. При дальнейшем роете UБЭ (1 - a) IЭ > IКБО и IБ меняет направление и становится положительным (IБ > 0) и сильно зависящим от напря­жения перехода.

Влияние UКЭ на IБ в НАР можно объяснить тем, что рост |UКЭ| означает рост |UКБ| и, следовательно, уменьшение ширины базо­вой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ предста­вляет собой зависимости IК = f(UКЭ) при заданном параметре IБ (рисунок 3.6,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном - к нормальному актив­ному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже от­мечалось, происходит при значениях |UКЭ|, превышающих |UБЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение UБЭ, а входной ток IБ. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока IБ, который связан с входной характеристикой на рисунке 3.6,а. Для увеличения IБ необходимо увеличивать |UБЭ|, следовательно, и граница между режимом на­сыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр IБ = 0 (“обрыв” базы), то в соответствии с (3.22) IК = IКЭО = (b + 1 ) IКБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = IКБО, если задать отрицательный ток IБ = -IКБО. Выходная ха­рактеристика с параметром IБ = -IКБО может быть принята за грани­цу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту грани­цу условно принимают характеристику с параметром IБ = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режи­ме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h22Э » bh22Б) Объясняется это различным проявлени­ем эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение UКЭ, а следовательно и UКБ сопровождается уменьшением тока ба­зы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регули­ровкой напряжения UБЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора DIК, т.е. увеличение выходной проводимо­сти (в схеме с ОБ ток IЭ при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

3.2.3 Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра анало­гично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормаль­ном активном режиме ток эмиттерного перехода можно предста­вить формулой

.

С ростом температуры тепловой ток IЭО растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения jТ = kT/q. В резуль­тате противоположного влияния двух факторов входные характери­стики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе IЭ на вели­чину       DU » (1...2) мВ/°С (рисунок 3.7,а).

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется теп­ловым током коллекторного перехода IКБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении тем­пературы опускается (рисунок 3.7, б).

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

 и .

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров  (IЭ = const в схеме с ОБ и IБ = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при IЭ = const рост IК будет определяться только увеличением IКБО  (рисунок 3.8, а).

 Однако обычно IКБО значительно меньше aIЭ, изменение IК составляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь парамет­ром является IБ и его надо поддерживать неизменным при измене­нии температуры. Будем считать в первом приближении, что коэф­фициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство bIБ оз­начает, что температурная зависимость IК будет определяться сла­гаемым (b + 1)IКБО. Ток IКБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 при­рост тока (b + 1)IКБО может оказаться сравнимым с исходным значе­нием коллекторного тока и даже превысить его.

На рисунке 3.8,б показано большое смещение выходных характе­ристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характе­ристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.

3.3 Дифференциальные параметры биполярного транзистора

Статические характеристики и их семейства наглядно связывают постоянные то­ки электродов с постоянными напряжениями на них. Однако часто возникает задача установить количественные связи между небольшими изменениями (дифференциа­лами) этих величин от их исходных значений. Эти связи характеризуют коэффициен­тами пропорциональности -дифференциальными параметрами.

Рассмотрим процедуру введения дифференциальных параметров БТ на приме­ре наиболее распространенных h-параметров, приводимых в справочниках по тран­зисторам. Для введения этой системы параметров в качестве независимых перемен­ных при описании статического режима берут входной ток IВХ (IЭ или IБ) и выходное на­пряжение  UВЫХ (UKБ или (UКЭ):

      U1= f (I1,U2)        (3.23)

                                                      I2= f (I1,U2)

В этом случае полные дифференциалы

             (3.24)

Частные производные в выражениях (3.24) и являются дифференциальными h-napaметрами, т.е.

dU1=h11 d I1 +h12 dU2       (3.25)

                                              dI2=h21 dI1 + h22 dU2

(h11 -входное сопротивление, h12 -коэффициент обратной передачи, h21 -коэффициент передачи входного тока и h22 -выходная проводимость). Названия и обозначе­ния этих параметров взяты из теории четырехполюсников для переменного тока.

Приращения статических величин в нашем случае имитируют переменные токи и напряжения.

Для схемы с общей базой

dUЭБ=h11Б d IЭ +h12Б dUКБ    (3.26)

                                           dIК=h21Б dIЭ + h22Б dUКБ

Эти уравнения устанавливают и способ нахождения по статическим характери­стикам, и метод измерения h-параметров. Полагая dUКБ = 0, т.е. UКБ = const, можно найти h11Б и h21Б, а считая dIЭ = 0, т. е. IЭ = const. определить h12Б и h22Б.

Аналогично для схемы с общим эмиттером можно переписать (3.26) в виде

dUБЭ=h11Э d IБ +h12Э dUКЭ           (3.27)

                                    dIК=h21Э dIБ + h22Э dUКЭ

Связь h-параметров со статическими характеристиками схем с ОБ и ОЭ и их определение по ним рассмотрены в [4].

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7