полупроводниковых приборов 2 глава

Дырки, достигшие границы коллекторного перехода, попадают в зону действия коллекторного перехода и переносятся в коллектор, тем самым создавая дырочную составляющую коллекторного тока. Поскольку в базе рекомбинирует малое количество дырок, то дырочная составляющая коллекторного тока будет не намного меньше дырочной составляющей эмиттерного тока.

- коэффициент переноса (его величина 0.95 - 0.99).

В результате .

Так как , то .

Величина α →1 и называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Так как коллекторный переход смещён в обратном направлении, то через него, как и через любой смещенный p-n переход, будет протекать тепловой ток I_к0, в результате:

. (3.1)

Полученное выражение отражает основное свойство транзистора - свойство управляемости I_к с помощью I_э. Второе слагаемое I_к0 является неуправляемой составляющей, оно имеет малую величину и тот же порядок, что и в диодах, и так же зависит от температуры. Т.о., выходную коллекторную цепь транзистора в активном режиме можно представить в виде управляемого источника тока. I_к зависит только от I _э и не зависит практически от U_кб при условии, что U_кб < 0. Транзистор должен находиться в активном режиме (эмиттер – смещён в прямом, коллектор - в обратном направлении). В коллекторную цепь можно включить нагрузку в виде сопротивления R_к. При этом I_к не уменьшится, если сохранить обратное напряжение на коллекторном переходе. Потенциал коллектора должен быть меньше потенциала базы. На R_к создается напряжение, которое пытается повысить потенциал коллектора относительно базы до уровня, не более нуля.

; .

На коллекторном сопротивлении можно получить падение напряжение, значительно превосходящее напряжение в цепи эмиттер-база, и соответствующая мощность, выделяемая на R_к, будет значительно больше мощности во входной цепи транзистора эмиттер-база. В этом случае можно получить усиление сигнала как по напряжению, так и по мощности. Усиление по току в этом случае не получится - I_к будет близок к I _э, но всегда I_к <I _э (α < 1):

; . (3.2)

Т. к. α →1, то I_б мал и меньше тока коллектора и эмиттера.

Пример: U_эб = 0,5В, I _э =1×10^-3 А, α=0,99, I_к =0.99×10^-3 А, R_к =100 кОм.

U_кэ = 99 В;

.

За счет того, что I_к не зависит ни от сопротивления, ни от напряжения в цепи коллектора, то при условии смещения коллекторного перехода в обратном направлении можно получить сигнал в коллекторной цепи значительно больший, чем в эмиттерной. Отсюда транзистор может осуществлять усиление эмиттерного сигнала.

Схемы включения транзисторов. При использовании транзисторов в усилительных и преобразовательных устройствах электрических сигналов входной сигнал может подаваться на транзистор различными способами и также разными способами может сниматься выходной. Биполярный транзистор имеет три вывода, поэтому один из них всегда будет общим для входного и выходного сигнала. В зависимости от того, какой вывод будет общим, различают несколько схем включения транзистора.

Схема включения транзистора с общей базой. Базовый вывод будет общим как для входного, так и для выходного сигналов. В качестве входного напряжения - напряжение эмиттер-база, в качестве входного тока - ток эмиттера. Выходное напряжение - напряжение коллектор-база, выходной ток - ток коллектора.

Схема с общим эмиттером. U_вх = U_бэ; I_вх =I_б; U_вых = U_кэ; I_вых = I_к.

Схема с общим коллектором. U_вх=U_бк; I_вх= I_б; U_вых= U_эк; I_вых = I_э.

Различные схемы включения транзисторов обладают различными усилительными свойствами и имеют разные характеристики.

Статические характеристики транзистора. Выделяют две группы статических характеристик.

1. Входные. Отражают зависимость входного тока от входного напряжения транзистора при фиксированном выходном напряжении. Эта зависимость определяется в установившемся статическом режиме .

2. Выходные. Зависимость выходного тока от выходного напряжения при фиксированном входном токе .

Каждая схема включения транзистора имеет свои статические характеристики. Рассмотрим эти характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ.

Статические характеристики транзистора, включённого по схеме с общей базой по рис.3.3:

 

Рис.3.3. Транзистор, включенный по схеме с

общей базой

 

Входная характеристика. Каждому фикси­рованному значению U_кб соответствует своя входная характеристика, то есть для множества значений U_кб будет семейство входных характеристик по рис.3.4.

Входные статические характеристики отражают зависимость входного тока от входного напряжения при фиксированном выходном напряжении .

Рис.3.4. Входные характеристики

 

а) U_кб = 0.

Означает, что вывод коллектора и вывод базы соединены накоротко. При этом I_э пред­ставляет собой ток эмиттерного перехо­да, смещенного в прямом направлении. При этом входная характеристика - это ВАХ эмиттерного p-n перехода. Прямое падение напряжения на переходе эмиттер – база, как и у обычного диода, для Ge =0,3 - 0,5В, для Si = 0,5 - 1В.

В этом случае характеристика входной цепи представляет собой ВАХ эмиттерного перехода (рис.3.4)

.

б) U_кб2 < 0.

При этом входная характеристика смещается в область больших токов и будет проходить немного выше начала координат. Смещение входной характеристики вверх обусловлено тем, что с увеличением отрицательного обратного напряжения на коллекторном переходе ширина запрещающего слоя коллекторного перехода увеличивается. При этом активная ширина базы уменьшится. Возрастает градиент концентрации дырок в базе (градиент концентрации - скорость умень­шения по ширине базы концентрации основных носителей заряда). Это создает благоприятные условия для протекания дифференциальных токов дырок из эмиттера в базу, что приводит к росту электрического тока.

в) U_кб3 < U_кб2.

Смещение входной характеристики происходит при возрастании модуля напряжения коллектор - база до 4¸5 В. При дальнейшем увеличении напряжения на коллекторе характеристика не смещается. Поэтому в справочниках приводят лишь две характеристики: для U_кб = 0 и для U_кб =-5В. При расчете усилительных устройств используют характеристику, снятую для 5 В. Изменение активной ширины базы при изменении U_кб называют эффектом модуляции ширины базы. В каждой точке входной характеристики входная цепь транзистора характеризуется определенным дифференциальным сопротивлением . Величина этого сопротивления определяется так же, как и дифференциальное сопротивление диода (p-n переход), и характеризуется tg угла наклона касательной. Величина его для активного режима работы от нескольких единиц Ом до нескольких десятков Ом. При малых токах эмиттера величина дифференциального сопротивления r будет большим, при больших токах эмиттера оно будет уменьшаться.

При изменении температуры входная характеристика смещается также, как и ВАХ диода; прямое падение напряжения уменьшается на 2 mВ на один градус.

Выходная характеристика. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, - это зависимость выходного тока I_к от выходного напряжения при фиксированном значении входного тока (рис.3.5).

а) I_э1 = 0. I_к = I_к0.

При I_э =0 выходная характеристика транзистора не будет ничем отличаться от обратной цепи ВАХ диода.

б) I_э2 > 0.

, где α – коэффици­ент передачи тока эмиттера.

При U_кб = 0 коллекторный переход не будет смещен в обратном направлении, и, следовательно, обратный ток I_к0 = 0, но в коллекторном переходе будет существовать собственное электрическое поле (внутреннее), под действием которого дырки, инжектированные из эмиттера в базу и дошедшие в результате диффузии до коллекторного перехода, будут перебрасываться в коллектор.

Рис. 3.5. Выходные характеристики

транзистора с общей базой

 

в) I_э3 > I_э2 и т.д.

Если изменить полярность напряжения U_кб, коллекторный переход будет включен в прямом направлении; в результате навстречу дырочной составляющей коллекторного тока потечет прямой ток коллекторного перехода. При незначительном увеличении прямого напряжения прямой ток будет резко возрастать, и тогда суммарный коллекторный ток будет равен разности: .

Ток коллектора будет резко снижаться до 0. При отрицательном напряжении на коллекторе выходная характеристика идет не абсолютно горизонтально, то есть при увеличении U_кб увеличивается I_к. При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе происходит модуляция ширины базы, то есть чем больше U_кб, тем база уже, в итоге количество рекомбинаций в базе уменьшается, увеличивается количество дырок, дошедших до коллекторного перехода, что приводит к увеличению коэффициента δ и, соответственно, увеличивается α.

В результате получим семейство выходных характеристик. Поскольку каждая выходная характеристика имеет некоторый наклон, то выходную цепь коллектор-база можно охарактеризовать некоторым выходным дифференциальным сопротивлением .

Величина этого сопротивления достигает 10 - 100 Ом.

Для схемы с ОБ зависимость тока коллектора от тока эмиттера с учетом выходного дифференциального сопротивления можно представить в следующем виде:

. (3.3)

При работе транзистора в активном режиме, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход в обратном направлении и изменения входных и выходных сигналов невелики, можно считать входное и выходное напряжения const. При этом транзистор работает на линейных участках характеристик, такому режиму соответствует линейная схема замещения транзистора (рис.3.6).

Рис. 3.6. Линейная схема замещения транзистора c

общей базой

 

Такую схему замещения называют схемой замещения в физических параметрах.

r_э - дифференциальное сопротивление эмит­терного перехода в прямом направлении, оно мало: 1-100 Ом. r_б - объемное сопротивление базового слоя транзистора: 10-100 Ом. r_к - дифференциальное сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода ~ МOм. C_э - диффузионная емкость эмиттерного перехода, C_к - барьерная емкость коллекторного перехода. αI_э - управляющий источник тока, отражающий усилительные свойства транзистора. При увеличении тем­пературы выходные характеристики смещаются вверх за счет роста теплового тока I_к0, существенно увеличивается коэффициент передачи α.

Статические характеристики транзи­с­то­ра, включённого по схеме c общим эмитте­ром по рис.3.7.

 

Рис. 3.7. Схема включения транзистора с ОЭ

 

Входные характеристики приведены на рис.3.8 и определяются выражениями:
_.

Ток базы представляет собою малую величину по сравнению с током коллекто­ра и током эмиттера, причем эта величина тем меньше, чем ближе α к единице.

а) U_кэ = 0.

В этом случае коллекторный переход не будет смещен в обратном направлении, то есть I_к0 = 0 и I_б = (1- α)I_э.

Рис.3.8. Входные характеристики

для схемы с ОЭ.

 

б) U_кэ < 0.

В этом случае коллекторный переход будет смещен в обратном направлении, что приводит к следующему: будет существенным обратный ток I_к0, который направлен встречно току базы. За счет модуляции ширины базы произойдёт уменьшение количества рекомбинаций основных носителей заряда в базе и, соответственно, уменьшение составляющей тока базы. В результате характеристика при отрицательном напряжении U_кэ будет смещаться вниз. Смещение характеристики вниз также происходит при росте напряжения U_кэ до 4¸5В, дальше характеристика не меняется. В справочниках приводятся две характеристики: для U_кэ = 0 и для U_кэ < 0 Входную цепь можно характеризовать входным дифференциальным сопротивлением r_бэ

. (3.4)

Поскольку α → 1, то в схеме с общим эмиттером r_бэ >> r_эб; r_бэ = 100-1000 Ом.

Выходные характеристики тран­зис­­тора по схеме с ОЭ на рис.3.9.

Рис.3.9. Выходные характеристики для

схемы с ОЭ

 

Это основное уравнение транзистора для схемы с общим эмиттером, оно показывает, как ток коллектора зависит от величины тока базы. При этом α/(1-α)=b - коэффициент передачи тока базы. При a →1 b возрастает и для реальных транзисторов b = 10-1000. В схеме с общим эмиттером будет происходить усиление сигнала по току.

. (3.5)

- начальный ток коллектора.

Рассмотрим выходные характеристики для различных токов I_б.

1) при I_б1 = 0 получаем .

2) I_б2 > 0 получаем .

Вторая выходная характеристика будет смещена вверх относительно первой на величину bI_б2. Рассмотренные соотношения между I_к и I_э справедливы для активного режима работы:

;

до тех пор, пока .

Рассмотренные зависимости между токами справедливы для .

Току I_б2 соответствует определенное напряжение U_бэ2. Справа от U_бэ2 будут справедливы соотношения для токов. При U_кэ > U_бэ коллекторный переход будет смещаться в прямом направлении, навстречу основному току транзистора возникнет прямой ток коллектора, результирующий ток будет уменьшаться. Если U_кэ = 0, то входное напряжение U_бэ будет смещать в прямом направлении эмиттерный переход, и в то же время оно будет приложено к коллекторному переходу и смещать его в прямом направлении. В результате токи эмиттера и коллектора будут направлены навстречу, и результирующий ток будет близок к нулю, то есть в схеме с ОЭ будем считать, что выходные характеристики проходят через начало координат. Заштрихованная область соответствует смещению в прямом направлении как в эмиттерном, так и в коллекторном переходе. Такой режим работы называют режимом насыщения.

; .

Выходные характеристики для схемы с ОЭ проходят менее горизонтально, чем для схемы с общей базой.

.

 

Для схемы с общим эмиттером имеем:

;

;

;

;

;

.

Выходное дифференциальное сопротивление для схемы с ОЭ в

(1+ b) раз меньше, чем для схемы с ОБ. Для реальных транзисторов r_кэ порядка 100 кОм.

Для схемы с ОЭ также, как и для схемы с ОБ, можно построить свою схему замещения. Для этого в схеме замещения для ОБ входной цепью сделаем цепь базы, а общей цепью - цепь эмиттера (рис.3.10). Управляемый источник тока άI_э не­об­ходимо преобразовать в источник тока, управляемый током базы.

 

Рис.3.10. Схема замещения тран­зис­то­ра,

включенного по схеме с ОЭ

 

 

, , . (3.6)

Работа транзистора по схеме с общим коллектором. Этот каскад часто входит в различные схемы как каскад сопряжения, имея специфические значения входного и выходного сопротивлений. На рис.3.11,а пред-

Рис.3.11. Усилитель на базе тран­зистора с общим кол­лектором (а)

и его эквивалентная схема (б)

 

ставлен усилитель на базе транзистора, включённого по схеме с об­щим коллектором. Сигнал переменного тока генератора е_г с внут­ренним сопротивлением R_г через разделительный конденсатор С₁ по­да­ётся на базу VT. Начальный потенциал базы задаётся делителем на R₁ и R₂. Нагрузочное сопротивление R_э включёно в цепь эмиттера, а переменная составляющая выходного сигнала через разделительный конденсатор С₂ подаётся на резистор R_н. На позиции рис.3.11,б изображена эквивалентная схема такого соединения.

Определим по этим схемам основные характеристики транзистора при включении его по схеме с общим коллектором.

1. Входное сопротивление каскада на основании эквивалентной схемы есть параллельное соединение сопротивлений делителя и вход­ного сопротивления транзистора R_к =R₁|| R₂ || r_вх. Или

.

С учётом сопротивления нагрузки R_н, подсоединённого параллельно резистору R_э, имеем

.

В этом уравнении величина r_б–несколько десятков Ом, коэффициент уси­­ления по току b =50-100, общее сопротивление R_э||R_н =1-2 кОм. Тогда входное сопротивление транзистора R_вх » 50-200 кОм достаточно велико.

2. Выходное сопротивление транзистора находится как параллельное соединение резистора R_э и всей внутренней структуры прибора

.

Так как , то R_вых=R_э||r_э.

Сопротивление R_э имеет порядок 2-3 кОм, дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода в прямом направлении r_э - несколько десятков Ом. Отсюда выходное сопротивление транзистора по схеме ОК – несколько десятков Ом, достаточно мало.

3. Коэффициент усиления по току .

Ток нагрузки .

Коэффициент усиления по току .

4. Коэффициент усиления по напряжению

,

то есть каскад не усиливает входное напряжение.

 

В табл. 3.1 приведены сравнительные характеристики усилителей на биполярных транзисторах (БТ) для различных схем их включения.

Таблица 3.1

Cравнительная характеристика усилителей на БТ

Параметр	ОБ	ОЭ	ОК
КU	10¸100	>100	£1
КI	a£1	b=50¸100	b=50¸100
Rвх,кОм	Низкое 0,1¸1	Среднее1¸10	Высокое 10¸100
Rвых,кОм	Высокое 0,1¸1000	Среднее 10¸100	Низкое 0,1¸1
fmax,Мгц	Высокое ~400	Низкое <100	Высокое ~100

 

 

Недостатком рассмотренных Т-образных схем замещения транзисторов является невозможность измерения параметров этих схем на основе сигналов на внешних выводах транзистора. Поэтому для обеспечения возможности более точного представления схем замещения при малых отклонениях сигналов транзистор можно рассмотреть как линейный активный четырехполюсник.

Транзистор как линейный четырёхполюсник

 

Рис.3.12. Транзистор как четырехполюсник

 

Рассматривая транзистор, как линей­ный четырехполюсник, отра­жаю­щий связь между приращениями токов и напряже­ний, можно определить его параметры на основе измерения сигналов на внешних выводах (рис.3.12).

Взаимосвязь между входными и выходными сигналами четырёхполюсника можно установить с помощью линейных уравнений. Два сигнала выбираются в качестве независимых сигналов и через них выражают два оставшихся сигнала, при этом можно записать несколько систем уравнений в зависимости от того, какие сигналы независимы. Для транзисторов наибольшее распространение получила система в h-параметрах. В качестве независимых параметров выбраны DI₁ и DU₂:

. (3.7)

Физический смысл h – параметров можно легко установить, если воспользоваться режимами холостого хода на входе схемы и короткого замыкания на её выходе. При холостом ходе на входе DI₁ =0, откуда находим два параметра:

и . (3.8)

h₁₂ – обратная передача по напряжению - показывает как изменение выходного напряжения влияет на изменение напряжения на входе; этот коэффициент отражает существующую в транзисторе обратную связь: смещение входных характеристик под действием изменения выходного напряжения. Для реальных транзисторов величина этого коэффициента не велика, порядка 10^-4 - 10^-5.

h₂₂ - выходная проводимость транзистора.

В режиме короткого замыкания КЗ на выходе DU₂ = 0. Отсюда

и . (3.9)

h₁₁ - представляет собой входное сопротивление транзистора. Для различных схем включения транзисторов величина его будет различной.

h₂₁ - представляет собой коэффициент передачи тока транзистора. Для схемы с ОБ - "-ά "; с ОЭ - "b".

h -параметры транзистора легко рассчитываются на основе статических входных и выходных характеристик транзистора.

Схема замещения транзистора в h -параметрах. Схемазаме -_

Рис.3.13. Схема замещения транзистора на

основе h -параметров

 

ще­ния (рис.3.13) имеет одинаковый вид независимо от схемы включения транзистора, разница будет заключаться только в величинах h- параметров.

Для проектных расчетов пользуются упрощенной схемой замещения, в которой можно пренебречь h₁₂ (рис.3.14).

Рис. 3.14. Схема замещения для

приближенных расчетов

 

Для схемы с общим эмиттером вместо h₂₁DI₁ =bDI₁, а для схемы с общей базой h₂₁DI₁ = - aDI₁. Система в h -параметрах нашла широкое применение для транзисторов потому, что для них легко реализовать условия для экспериментального определения h-параметров:

DU₂ = 0 потому, что собственное выходное сопротивление транзистора велико;

DI₁ = 0, так как собственное входное сопротивление транзистора мало.

h -параметры транзистора можно выразить через параметры Т -образной схемы замещения транзистора и установить между ними однозначную связь. В справочниках для транзисторов обычно приводятся не все четыре h -параметра, а только некоторые из них. Обязательно приводится параметр h₂₁=b – коэффициент передачи по току, а остальные, если они не приводятся, иногда можно рассчитать по уравнениям (3.8) и (3.9).

 

Контрольные вопросы.

1. Объясните различие условного обозначения биполярных транзисторов p-n-p - и n-p-n -типов, схемы их замещения. Какой смысл заложен в названии «биполярный»?