Рис. 4-2.  Потенциальная диаграмма транзистора

Эту диаграмму удобно использовать для создания механи­ческой модели транзистора. Потенциал эмиттера принят за нулевой. В эмиттерном переходе имеется небольшой потенциальный барьер. Чем больше напряжение , тем ниже этот барьер. Коллекторный переход имеет значительную разность по­тенциалов, ускоряющую движение дырок. В механической модели шарики, аналогич­ные дыркам, за счет своих собственных скоростей поднимаются на барьер, аналогичный эмиттерному переходу, проходят через область базы, а затем уско­ренно скатываются с горки, аналогичной коллекторному переходу.

Помимо рассмотренных основных физических процессов в транзисторах при­ходится учитывать еще ряд явлений.

Существенное влияние на работу транзисторов оказывает сопротивление базы , т.е. сопротивление, которое база оказывает току базы . Этот ток протекает к выводу базы в направлении, перпендикулярном направлению эмиттер — коллек­тор. Так как база очень тонкая, то в направлении от эмиттера к коллектору, т. е. для тока , ее сопротивление очень мало и не принимается во внимание. А в направлении к выводу базы сопротивление базы  (его называют попе­речным) достигает сотен Ом, так как в этом направлении база аналогична очень тонкому проводнику. Напряжение на эмиттерном переходе всегда меньше, чем напряжение , между выводами базы и эмиттера, так как часть подво­димого напряжения теряется на сопротивлении базы. С учетом сопротивления  можно изобразить эквивалентную схему транзистора для постоянного тока так, как это сделано на рис. 4-3. На этой схеме — сопротивление эмиттера, в которое входят сопротивление эмиттерного перехода и эмиттерной области. Значение  у маломощных транзисторов достигает десятков Ом. Это вытекает из того, что напряжение на эмиттерном переходе не превышает десятых долей вольта, а ток эмиттера в таких транзисторах составляет единицы миллиампер. У более мощных транзисторов   больше и   соответственно меньше. При­ближенно  определяется формулой (в Омах)

                                                      (4.4)

где ток , выражается в миллиамперах.

Сопротивление коллектора  представляет собой практически сопротивление коллекторного перехода и составляет единицы и десятки килоОм. В него вхо­дит также сопротивление коллекторной области, но оно сравнительно мало и им можно пренебречь.

Схема на рис (4-3) является весьма приближенной, так как на самом деле эмиттер, база и коллектор имеют между собой контакт не в одной точке, а во множестве точек по всей площади переходов.

                                           r эо                     r ко

                                                              r Бо

                                            E 1                      E 2

Рис (4-3)  Эквивалентная схема транзистора для постоянного тока

При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение носителей заряда, являющееся главным образом результа­том ударной ионизации. Это явление и туннельный, эффект могут вызвать электрический пробой, который   при  возрастании  тока  может  перейти  в тепловой  про­бой перехода.

Изменение напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах сопро­вождается изменением толщины этих переходов. В результате изменяется толщина базы. Такое явление называют модуляцией толщины базы. Его особенно надо учитывать при повышении напряжения коллектор - база, так как тогда толщина коллекторного перехода возрастает, а толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может произойти эффект смыкания («прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. В этом случае область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накоп­ление неосновных носителей заряда в базе. т. е. увеличение концентрации и сум­марного заряда этих носителей. Наоборот, при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда неосновных носителей в ней. Этот процесс называют рассасыванием носителей заряда в базе.

В ряде случаев необходимо учитывать протекание по поверхности транзи­стора токов утечки, сопровождающееся рекомбинацией носителей в поверхностном слое областей транзистора.

Установим соотношения между токами в транзисторе. Ток эмиттера управ­ляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током,  так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому

                                                                                (4.5)

где - коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора: он может иметь значения от 0,950 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе  к 1. Через коллекторный переход, всегда проходит еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток  (рис. 4-4), называемый начальным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход. Таким образом, полный коллекторный ток

                                                                        (4.6)

Во многих случаях , и можно считать, что . Если надо измерить,  то это делают при оборванном проводе эмиттера. Действительно, из формулы (4.6) следует, что при  ток .

Преобразуем выражение (4.6) так, чтобы выразить за­висимость  тока от  тока  базы Заменим  ,  суммой:   где: - ток коллектора     

                       -ток базы

                         -ток эмиттера 

Рис. 4-4. Токи в транзисторе        

Решим уравнение   относительно  .

Тогда получим:

Обозначим:

                                      и    

и напишем окончательное выражение

                                                                          (4.7)

Здесь  является коэффициентом передачи тока базы  и  составляет  десятки единиц. Например, если  = 0,95, то

а если коэффициент  = 0,99, т. е. увеличился на 0,04, то

т. е.  увеличивается в 5 с лишним раз!

Таким образом, незначительные изменения  приводят к большим изме­нениям . Коэффициент  так же, как и , относится к важным параметрам транзистора. Если известен  то можно всегда определить  по формуле

                             (4.8)

Ток  называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор (через три его области и через оба n-p-перехода) в том случае, если , т. е. оборван провод базы. Действительно, из уравнения (4.7) при получаем . Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора .Ток , и, зная, что ,    нетрудно найти . А так как , то

                                                              (4.9)

Значительный ток  объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения  приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напря­жения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.

При значительном повышении напряжения , ток  резко возрастает и происходит электрический пробой. Следует отметить, что если , не слишком мало, при обрыве цепи базы иногда в транзисторе может наблюдаться быстрое, лавинообразное увеличение тока, приводящее к перегреву и выходу транзистора из строя (если в цепи коллектора нет резистора, ограничивающего возрастание тока). В этом случае происходит следующий процесс: часть напряжения , действующая на эмиттерном переходе, увеличивает ток , и равный ему ток , на коллекторный переход поступает больше носителей, его сопротивление и напряжение на нем уменьшаются и за счет этого возрастает напряжение на эмиттерном переходе, что приводит к еще большему увеличению тока, и т. д. Чтобы этого не произошло, при эксплуатации транзисторов запрещается разры­вать цепь базы, если не выключено питание цепи коллектора. Надо также сна­чала включить  питание  цепи   базы,   а  потом   цепи  коллектора,   но   не   наоборот.

Если надо измерить ток , то в цепь коллектора обязательно включают ограничительный резистор и производят измерение при разрыве провода базы.

3. Статические характеристики биполярного транзистора.

       Схема с общей базой

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транкзистора: общей базой  (ОБ) с общим эмиттером  (ОЭ) и  с общим коллектором (ОК).

                              r эо                    r ко

                                                             r Бо

                                           E 1                       E 2

                                          Рис. 5

Входные характеристики транзисторов в схеме с общей базой  при  определяются зави­симостью (5):

                               (5)

  При большом обратном напряжении коллектора () ток мало зависит от коллекторного напряжения. На рис. 5-1,а по­казаны реальные входные характеристики кремневого транзистора. Они соответствуют теоретической зависимости (5.1), подтверждается и вывод о слабом влиянии коллекторного напряжения на ток эмиттера.

                                                              Рис 5-1

Входная статическая характеристика при UКБ = 0 (ну­левая) подобна обычной характеристике полупроводникового диода, включенного в прямом направлении. При подаче отри­цательного коллекторного напряжения входная характеристика смещается влево. Это свидетельствует о наличии в транзис­торе внутренней обратной связи. Обратная связь возникает в основном из-за сопротивления базы. В схеме с ОБ сопротив­ление базы является общим для входной и выходной цепей.

 При подаче или увеличении коллекторного напряжения по­является или увеличивается IКБo. Кроме этого уменьшается Iэ.рек, так как при увеличении коллекторного напряжения происходит расширение коллекторного перехода и ширина базы уменьшается. Поэтому напряжение Uэб, приложенное к эмит­теру, при увеличении Uкб возрастает, что и объясня­ет увеличение тока эмиттера и смещение влево входной стати­ческой характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Выходные, или коллекторные, статические характеристики представляют собой зависимости Ik = f(Uкб) при Iэ=const. Несмотря на то, что напряжение на коллекторе для транзистора p-n-р отрицательно, характеристики для удобст­ва принято изображать в положительных осях координат. Ну­левая выходная характеристика (IЭ = 0) является обычной характеристикой диода, включенного в обратном направлении. Увеличение тока эмиттера ведет к сдвигу выходной характе­ристики.

Как известно, при появлении тока эмиттера ток коллек­тора увеличивается на величину IK = αIэ ~Iэ. Ток IK можно рассматривать как искусственно созданный допол­нительный ток неосновных носителей коллекторного перехода.

   Поэтому на основании формулы (5.1), где I0 = Ik, мож­но утверждать, что любая выходная характеристика транзис­тора с (ОБ) представляет собой ВАХ полупроводникового диода, смещенную по оси обратного тока на величину Iк.

                      (5.1)

   Начальная область входных характеристик, построенная в соот­ветствии с теоретической зависимостью (5.1), показана на рис.(5-1 а) крупным масштабом (в окружности). Отмечены токи I11 и I12, а так­же эмиттерный ток закрытого транзистора.

     Входные характеристики кремниевого транзистора показаны на pиc. 5-1,б. Они смещены от нуля в сторону прямых напряжений; как и у кремниевого диода, смещение равно 0,6—0,7 В. По отношению к входным характеристикам германиевого транзистора смещение со­ставляет 0,4 В.

Выходные характеристики.

Теоретические выходные характеристи­ки транзистора в схеме с общей базой при IЭ=const опре­деляются зависимостью (5.2):

                                                    (5.2)

Они представлены на рис. 5-2,а. Вправо по горизонтальной оси принято откладывать рабочее, т. е. обратное, напряжение коллектора (отрицательное для транзисторов типа р-n-р и положительное для транзисторов типа n-р-n). Значения протекающего при этом тока коллектора откладывают по вертикальной оси вверх. Такой выбор осей координат выгоден тем, что область характеристик, соответствую­щая рабочим режимам, располагается при этом в первом квадранте, что удобно для расчетов.

Если ток эмиттера равен нулю, то зависимостьпредстав­ляет собой характеристику электронно-дырочного перехода: в цепи коллектора протекает небольшой собственный обратный ток IКо.

  При прямом напряжении коллек­тора ток изменяет направление и резко возрастает — открывается кол­лекторный переход (в целях наглядности на     рис. 5-2  для положитель­ных напряжений взят более крупный масштаб).

                                                                Рис 5-2

Если же в цепи эмиттера создан некоторый ток Iэ, то уже при ну­левом напряжении коллектора в его цепи в соответствии  протекает ток Iк=I’э обусловленный инжекцией дырок из эмиттера. Поскольку этот ток вызывается градиентом концентрации дырок в базе, для его поддержания коллекторного напряжения не требуется.                                                     Рис 5-3                            

При подаче на коллектор обратного напряжения ток его несколько возрастает за счет появления собственного тока коллекторного пере­хода IКБ0 и некоторого увеличения коэффициента переноса v, вызван­ного уменьшением толщины базы.

При подаче на коллектор прямого напряжения появляется прямой ток коллекторного перехода. Так как он течет навстречу току инжекции  Iэ, то результирующий ток в цепи коллектора с ростом прямого напряжения до величины UK0 быстро уменьшается до нуля, затем при дальней­шем  повышении прямого напряжения коллектора приобретает обратное направление и начинает быстро возрастать.

Если увеличить ток эмиттера до зна­чения , то характеристика сместится пропорционально вверх на величину

На рис. 5-2,б представлены реаль­ные выходные характеристики транзи­стора КТ3107, они имеют такой же вид, как и теоретические, с учетом поправок.

Коэффициент передачи тока эмиттера. Как показывает опыт, коэф­фициент передачи тока  зависит от величины тока эмиттера (рис. 5-)

С ростом тока эмиттера увеличи­вается напряженность внутреннего поля базы, движение дырок на коллектор становится более направленным, в результате уменьшают­ся рекомбинационные потери на поверхности базы, возрастает коэф­фициент переноса , а следовательно, и . При дальнейшем увеличении тока эмиттера снижается коэффициент инжекции и растут потери на объемную рекомбинацию, поэтому коэффициент передачи тока  на­чинает уменьшаться.

В целом зависимость коэффициента передачи тока  от тока эмит­тера в маломощных транзисторах незначительна, в чем можно убедить­ся,  обратив внимание на масштаб по вертикальной оси  рис.(5-3).

В транзисторах, работающих при высокой плотности тока, наблю­дается значительное падение напряжения вдоль базы, обусловленное током базы; в результате напряжение в точках эмиттерного перехода, удаленных от вывода базы, оказывается заметно меньшим, чем в близ­лежащих. Поэтому эмиттерный ток концентрируется по периметру эмиттера ближе к выводу базы, эффективная площадь эмиттера полу­чается меньше, чем при равномерной инжекции, и коэффициент  быст­ро надает с ростом тока эмиттера.

 Для ослабления указанного явления применяют электроды, имеющие высокое отношение длины периметра к площади: кольцевые и гребенчатые.

Схема с общим эмиттером

Ранее были рассмотрены статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой, когда общая точка входной и вы­ходной цепей находится на базовом электроде. Другой распростра­ненной схемой включения транзистора яв­ляется схема с общим эмиттером, в кото­рой общая точка входной и выходной це­пей соединена (рис. 5-4).

Входным напряжением в схеме с общим эмиттером является напряжение базы  измеряемое относительно эмиттерного элек­трода. Для того чтобы эмиттерный пере­ход был открыт, напряжение базы долж­но быть отрицательным (рассматривается транзистор   типа   р-n-р).

   Выходным напряжением в схеме с об­щим эмиттером является напряжение коллектора   измеряемое относительно эмиттерного электрода. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, напряжение коллекто­ра должно быть большим по величине, чем прямое напряжение базы.

Отметим, что в схеме с общим эмиттером в рабочем режиме, когда транзистор открыт, полярность источников питания базы и коллектора одинакова.     

                              r Бо                    r ко

                                                             r эо

                                           E 1                      E 2

                                              Рис. 5-4                      

Входные характеристики. Входные характеристики транзистора в схеме с общим   эмиттером представляют собой зависимость тока базы от напряжения  при  ; 

    Ток коллектора  равен:    Iк= Iкбо + h21БIэ 

Исключив ток эмиттера, получим: 

Iк= Iкбо / (1+ h21Б) – h21Б / (1+ h21Б)*IБ                   (5.4)

 Первый член называется обратным током коллектор – эмиттер при токе базы =0, т.  е. разомкнутой базе.Этот ток обозначают Iкэо. Таким образом:

Iкэо = Iкбо / (1+ h21Б)                                                 (5.5)

  Так как коофичент h21Б отрицателен, а по абсолютной величине очень близок к единице и может достигать 0,980 - 0,995, ток Iкэо в 50-200 раз больше тока Iкбо.

Множитель при втором члене в уравнении (5.4) является коофицинтом передачи тока в схеме с ОЭ в режиме больших сигналов:

h21Э =- h21Б /(1+ h21Б)                                                    (5.6)

Выразим  коофицент  h21Б  через токи  Iк,  Iэ, и  IкБо:

h21Б =-( Iк – IкБо )/ Iэ                                              (5.7)

Подставив это выражение в уравнение (5.6), получим:

h21Э =( Iк – IкБо)/( IБ + IкБо)                                     (5.8)

  Когда ток коллектора Iк велик по сравнению с током  IкБо,     

h21Э ≈ Iк / IБ                                                                    (5.9)

В реальном транзисторе добавляются токи утечки и термотоки пе­реходов, поэтому обратный ток базы закрытого транзистора

                                          (5.10)

Страницы: 1, 2, 3, 4