Биполярный транзистор КТ3107

Следует отметить, что на высоких частотах происходит не только изме-нение значений и , Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания заряда в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах из-меняются и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.

Улучшение частотных свойств транзисторов, т. е. повышение их предельных частот усиления и , достигается уменьшением емкости коллекторного перехода Ск и времени пробега носителей через базу . К сожалению, сни-жение емкости путем уменьшения площади коллекторного перехода приводит к уменьшению предельного тока. т. е. к снижению предельной мощности. Некоторое снижение емкости Ск достигается уменьшением концентрации примеси в коллекторе. Тогда коллекторный переход становится толще, что рав-ноценно увеличению расстояния между обкладками конденсатора. Емкость умень-шается, и, кроме того, при большей толщине перехода увеличивается напря-жение пробоя и это дает возможность повысить мощность. Но зато возрастает сопротивление области коллектора и в ней потери мощности будут больше, что особенно нежелательно для мощных транзисторов. Для уменьшения стараются сделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе приходится снижать напряжение , чтобы при увеличении 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 высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше. Увеличение скорости пробега носителей через базу достигается также в тех транзисторах, у которых в базе создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей.

 7. Работа биполярного транзистора в импульсном режиме

Транзисторы широко применяются в различных импульсных устройствах. Работа транзисторов в импульсном режиме, иначе называемом ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.

Iк IБmax

T2

IБ2

Iк max

T1

Uк-э

Рис. 9-1. Определение параметров импульсного режима транзисторов с помощью выходных характеристик.

Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью его выходных ха-рактеристик для схемы ОЭ. Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки . Соответственно этому на рис.(9-1) построена линия нагрузки. До поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения тран-зистор находится в запертом состоянии (в режиме отсечки). В цели коллектора проходит малый ток (в данном случае сквозной ток ) и следова-тельно, эту цепь приближенно можно считать ра-зомкнутой. Напряжение источника почти все полностью приложено к транзистору.

Если на вход подан импульс тока , то транзистор переходит в режим насыщения и работает в точке . Получается импульс тока коллектора , очень близкий по значению к . Его иногда называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника падает на , а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение в десятые доли вольта, называемое напряжением насыщения .

Хотя напряжение в точке не изменило свой знак, но на самом кол-лекторном переходе оно стало прямым, и поэтому точка действительно соответствует режиму насыщения. Покажем это на следующем примере. Пусть имеется транзистор p-n-p и , а напряжение на базе . Тогда на коллекторе по отношению к базе будет напряжение , т.е. на коллекторном переходе прямое напряжение 0,3 В.

Конечно, если импульс входного тока будет меньше , то импульс тока коллектора также уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх практически уже не дает возрастания импульса выходного тока. Таким образом, возможное максимальное значение импульса тока коллектора

(9.1)

Помимо , и импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току В, который в отличие от определяется не через приращения токов, а как отношение токов, соответствующих точке :

(9.2)

Иначе говоря, является параметром, характеризующим усиление малых сигналов, а В относится к усилению больших сигналов, в частности им-пульсов, и по значению несколько отличается от .

Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопро-тивление насыщения (9.3)

Значение у транзисторов для импульсной работы обычно составляет единицы, иногда десятки Ом.

Аналогично рассмотренной схеме ОЭ работает в импульсном режиме и схема ОБ.

Рис. 9-2. Искажение формы импульса тока транзистором.

Если длительность входного импульса во много раз больше времени переходных процессов накопления и рассасывания за-рядов в базе транзистора, то импульс выходного тока имеет почти такую же длительность и форму, как и входной импульс. Но при коротких импульсах, т. е. если составляет единицы микросекунд и меньше, может наблюдаться значительное искажение формы импульса выходного тока и увеличение его длитель-ности.

Для примера на рис.(9-2) показаны графики ко-роткого импульса входного тока прямоугольной фор-мы и импульса выходного тока при включении тран-зистора по схеме ОБ. Как видно, импульс коллек-торного тока начинается с запаздыванием на время (время задержки), что объясняется конечным временем пробега носителей через базу. Этот ток нарастает постепенно в течение времени (длительности фронта), составляющего заметную часть . Такое посте-пенное увеличение тока связано с накоплением носителей в базе. Кроме того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют разные скорости и не все сразу достигают коллектора. Время + явля-ется временем включения . После окончания входного импульса за счет рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток продолжается некоторое время (время рассасывания), а затем постепенно спадает в течение вре-мени спада. Время + есть время выключения . В итоге импульс коллекторного тока значительно отличается по форме от прямоугольного и рас-тянут во времени по сравнению с входным импульсом. Следовательно, за-медляется процесс включения и выключения коллекторной цепи, затягивается время, в течение которого эта цепь находится в замкнутом состоянии. Иначе говоря, за счет инерционности процессов накопления и рассасывания заряда в базе транзистор не может осуществлять достаточно быстрое включение и выключение, т. е. не обеспечивает достаточное быстродействие ключевого режима.

На рис.(9-2) показан еще график тока базы, построенный на основании соотношения . Как видно, ток этот имеет сложную форму.

Специальные транзисторы для работы короткими импульсами должны иметь малые емкости и тонкую базу. Как правило, это маломощные дрейфовые транзисторы. Чтобы быстрее рассасывался заряд, накапливающийся в базе, в нее добавляют в небольшом количестве примеси, способствующие быстрой рекомбинации накопленных носителей (например, золото).

8. Математическая модель биполярного транзистора.

Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при получении математичес-кой модели, показана на рис.10-1. Каждый p-n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено гене-раторами токов. Если эмиттерный p-n-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обес-печивается генератором тока . Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направ-лении и прямому коллекторному току соответствует эмит-терный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где - коэффициент передачи коллек-торного тока.

Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие: инжектируемую ( или ) и собираемую

( или ):

, (10.1)

Эмиттерный и коллекторный p-n -переходы транзистора аналогичны p-n -переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их вольтамперная харак-теристика определяется так же, как и в случае диода. Однако если к одному из p-n -переходов приложить напряжение, а выводы другого p-n -перехода замкнуть между собой накорот-ко, то ток, протекающий через p-n -переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределе-ния неосновных носителей заряда в базе. Тогда:

, (10.2)

где - тепловой ток эмиттерного p-n -перехода, измеренный при замкнутых накоротко выво-дах базы и коллектора; - тепловой ток коллекторного p-n -перехода, измеренный при за-мкнутых накоротко выводах ба-зы и эмиттера.

Рис. 10-1. Эквивалентная схема идеализированного транзистора

Связь между тепловыми то-ками p-n -переходов ,включенных раздельно, И тепловыми токами , получим из (10.1 и 10.2). Пусть . Тогда . При . Подставив эти выражения в (10.1), для тока коллектора получим .

Соответственно для имеем

Токи коллектора и эмиттера с учетом (10.2) примут вид

(10.3)

На основании закона Кирхгофа ток базы равен:

(10.4)

При использовании (10.1)-(10.4) следует помнить, что в полупроводниковых транзисторах в самом общем случае справедливо равенство

(10.5)

Решив уравнения (10.3) относительно , получим

(10.6)

Это уравнение описывает выходные характеристики тран-зистора.

Уравнения (10.3), решенные относительно , дают выраже-ние, характеризующее идеализированные входные характеристи-ки транзистора:

(10.7)

В реальном транзисторе кроме тепловых токов через переходы протекают токи генерации -- рекомбинации, каналь-ные токи и токи утечки. Поэтому ,, , как правило, неизвестны. В технических условиях на транзисторы обычно приводят значения обратных токов p-n-переходов ,. определенные как ток соответствующего перехода при неподключенном выводе другого перехода.

Если p-n-переход смещен в обратном направлении, то вместо теплового тока можно подставлять значение обратного тока, т. е. считать, что и . В первом приближении это можно делать и при прямом смещении p-n-перехода. При этом для кремниевых транзисторов вместо следует подставлять , где коэффициент m учитывает влияние токов реального перехода (m = 2 - 4). С учетом этого уравнения (10.3), (10.5) часто записывают в другом виде, который более удобен для расчета цепей с реальными транзисторами:

(10.8)

(10.9)

(10.10)

где .

Различают три основных режима работы биполярного транзистора: активный, отсечки, насыщения.

В активном режиме один из переходов биполярного тран-зистора смещен в прямом направлении приложенным к нему внешним напряжением, а другой - в обратном направлении. Соответственно в нормальном активном режиме в прямом направлении смещен эмиттерный переход, и в (10.3), (10.8) напряжение имеет знак «+». Коллекторный переход смещен в обратном направлении, и напряжение в (10.3) имеет знак « - ». При инверсном включении в уравнения (10.3), (10.8) следует подставлять противоположные полярности напряжений , . При этом различия между инверсным и активным режимами носят только количественный характер.

Для активного режима, когда и (10.6) запишем в виде

.

Учитывая, что обычно и , урав-нение (10.7) можно упростить:

(10.11)

Таким образом, в идеализированном транзисторе ток коллектора и напряжение эмиттер-база при определенном значении тока не зависят от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. В действительности изменение напряжения меняет ширину базы из-за изменения размеров коллекторного перехода и соответственно изменяет градиент концентрации неосновных носителей заряда. Так, с увеличением ширина базы уменьшается, градиент концентрации дырок в базе и ток увеличиваются. Кроме этого, уменьшается вероятность рекомбинации дырок и увеличивается коэффициент . Для учета этого эффекта, который наиболее сильно проявляется при работе в активном режиме, в выражение (10.11) добавляют дополнительное слагаемое

(10.12)

- дифференциальное сопротивление запертого коллекторного p-n-перехода.

Влияние напряжения на ток оценивается с помощью коэффициента обратной связи по напряжению

,

который показывает, во сколько раз следует изменять напряже-ние для получения такого же изменения тока , какое дает изменение напряжения . Знак минус означает, что для обеспечения = const приращения напряжений должны иметь противоположную полярность. Коэффициент достаточно мал (), поэтому при практических расчетах влиянием коллекторного напряжения на эмиттерное часто пренебрегают.

В режиме глубокой отсечки оба перехода транзистора смещены в обратном направлении с помощью внешних напряжений. Значения их модулей должны превышать . Если модули обратных напряжений приложенных к переходам транзистора окажутся меньше , то транзистор также будет находиться в области отсечки. Однако токи его электродов окажутся больше, чем в области глубокой отсечки.

Учитывая, что напряжения и имеют знак минус, и считая, что и , выражение (10.9) запишем в виде

(10.13)

Подставив в (10.13) значение , найденное из (10.8), и раскрыв значение коэффициента А, получим

(10.14)

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

(10.15)

где ;

Из (10.15) видно, что в режиме глубокой отсечки ток коллектора имеет минимальное значение, равное току единич-ного p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Ток эмиттера имеет противоположный знак и значительно меньше тока коллектора, так как . Поэтому во многих случаях его считают равным нулю: .

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6