Физические основы электроники

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)

[pic]. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического

коэффициента передачи тока:

[pic], (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

[pic]. (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

[pic]. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

[pic]. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, IК и IБ принципиально меньше

тока IЭ; при этом наименьшим является ток базы

[pic]. (3.16)

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

[pic]. (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-() 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

[pic], (3.18)

где

[pic] (3.19)

- статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение ( обычно

близко к единице, то ( может быть очень большим ((>>1). Например, при ( =

0,99 ( = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

[pic]. (3.20)

Очевидно, что коэффициент ( 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

[pic], (3.21)

можно вместо (3.18) записать

[pic]. (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).

[pic]

|а) |б) |

|Рисунок 3.5 Входные (а) и выходные (б) характеристики БТ в |

|схеме включения с ОБ |

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 = (IЭ + IКБО. Выходные характеристики

смещаются вверх при увеличении параметра IЭ. В идеализированном транзисторе

не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока

( 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 (. Так как значение ( 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

[pic]

|а) |б) |

|Рисунок 3.6 Рисунок 3.5 Входные (а) и выходные (б) |

|характеристики БТ в схеме включения с ОЭ |

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 (0) 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 - ()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 - () IЭ. Когда (1 - () IЭ = IКБО, ток IБ = 0. При

дальнейшем роете UБЭ (1 - () 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 = (( + 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 (

(h22Б) 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 (IК,

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

[pic].

С ростом температуры тепловой ток IЭО растет быстрее, чем убывает

экспонента из-за увеличения (Т = kT/q. В результате противоположного

влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при

выбранном токе IЭ на величину (U ( (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).

[pic]

|а) |б) |

|Рисунок 3.7 Зависимость входных характеристик от температуры для|

|схем ОБ (а) и ОЭ (б). |

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР

удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

[pic] и [pic].

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).

[pic]

|а) |б) |

|Рисунок 3.8 Зависимость выходных характеристик БТ от температуры для |

|схем включения с ОБ (а) и ОЭ (б). |

Однако обычно IКБО значительно меньше (IЭ, 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 ( не зависит от температуры.

Постоянство (IБ означает, что температурная зависимость IК будет

определяться слагаемым (( + 1)IКБО. Ток IКБО (как тепловой ток перехода)

примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при ( >> 1

прирост тока (( + 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

[pic] (3.24)

[pic]

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(.

3.4 Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

В качестве малосигнальных моделей могут быть использованы

эквивалентные схемы с дифференциальными h-, у- и z-параметрами, которые

имеют формальный характер и в которых отсутствуют непосредственная связь с

физической структурой транзистора. Например, эквивалентная схема для

системы Н-параметров приведена на рисунке 3.9.

[pic]

Рисунок 3.9 Эквивалентна схема БТ в системе Н-параметров.

Широкое распространение нашли эквивалентные схемы с так называемыми

физическими параметрами, которые опираются на нелинейную динамическую

модель Эберса - Молла, т.е. тесно связаны с физической структурой

биполярного транзистора.

Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной динамической

модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными

сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями

напряжения и тока. Кроме того, в усилительных схемах используется либо

нормальный активный, либо инверсный активный режим, а режим насыщения

недопустим. Поэтому при переходе к малосигнальной схеме можно ограничиться

рассмотрением наиболее распространенного нормального активного режима, так

как результаты легко перенести и на инверсный активный режим. В этом случае

можно исключить генератор тока и малосигнальную модель БТ для схемы

включения с ОБ можно изобразить, как на рисунке 3.10.

[pic]

Рисунок 3.10 Эквивалентная схема БТ при включении его с ОБ.

Поясним смысл элементов модели. Резистор RЭ представляет

дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. В первом приближении

его можно определить по формуле для идеализированного р-n перехода:

RЭ=dU/dI((T/IЭ, (3.28)

где IЭ- постоянная составляющая тока эмиттера. Так как при комнатной

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6