2 Біполярний транзистор

2.1 Еквівалентні схеми біполярного транзистора

Малосигнальні фізичні еквівалентні схеми біполярного транзистора.

Як і схеми заміщення, малосигнальні фізичні (моделюючі) еквівалентні схеми призначені для розрахунків малих змінних складових струмів і напруг, але елементи цих схем відповідають структурі й фізичним процесам реального транзистора. Параметри елементів фізичних еквівалентних схем обчислюються за допомогою співвідношень, що випливають із теорії транзисторів. Найпоширеніші фізичні еквівалентні схеми одержують шляхом лінеаризації рівнянь моделей Еберса-Мола, при цьому рівняння попередньо спрощують, записуючи їх для активного режиму (малосигнальніі фізичні еквівалентні схеми призначені для аналізу підсилювальних каскадів, у яких використовується активний режим роботи транзистора). В даному випадку розглянемо низькочастотні варіанти еквівалентних схем, що не враховують інерційність фізичних процесів у транзисторі. [3]

Т-образна малосигнальна еквівалентна схема для включення транзистора по схемі СБ наведена на рисунку 2.1.1.

Рисунок 2.1.1 – Т-образна еквівалентна схема для схеми з СБ

Вона включає:

– опір матеріалу бази

– диференційний опір емітерного переходу:

– диференційний вихідний опір транзистора:

– диференційний коефіцієнт передачі струму в схемі з СБ:

Оскільки транзистор у більшості випадків підсилює сигнали змінного струму, то його еквівалентна схема буде трохи іншою (рисунок 2.1.2). У якості порівняння приведена схема зі спільним емітером (СЕ). [4]

Рисунок 2.1.2 – Еквівалентна схема транзистора за змінним струмом (СЕ)

– динамічний коефіцієнт передачі по струму;

– динамічний опір емітера;

– динамічний опір колектора;

– динамічний коефіцієнт внутрішнього зворотного зв'язку по напрузі, показує, як зміниться струм колектора при одиничній зміні напруги на емітерному переході за умови, що струм емітера підтримується постійним;

– об'ємний опір бази, визначається тільки геометричними особливостями конструкції біполярного транзистора;

– ємність колекторного переходу.

2.2 Розрахунки параметрів і характеристик біполярного транзистора

Вихідні дані для розрахунків біполярного транзистора представлено в таблиці 2.2.1, а графічні пояснення до них на рисунку 2.2.1. Розшифрування даних для розрахунків наступна:

h — товщина пластини, см;

y_к, y_э — довжина областей колектора й емітера відповідно, см;

z_к, z_э — ширина областей колектора й емітера відповідно, см;

h_к, h_э, h_б — товщина областей колектора, емітера й бази відповідно, см;

— товщина бази в місці залягання емітерного переходу, см;

N_подл, N_к, N_б, N_э — концентрація домішкових атомів у підложці, колекторі, базі, емітері відповідно, см^-3;

t_б, t_к, t_э — час життя нерівноважних носіїв заряду в базі, колекторі й емітері відповідно мкс;

R_t — тепловий опір корпуса транзистора, К/Вт

Рисунок 2.2.1 — Напівпровідникова структура біполярного транзистора

n-p-n типу й пояснення до вихідних даних

Таблиця 2.2.1Вихідні дані

h, см	yк, см	zк, см	hк, см	yэ, см	zэ, см	hэ, см	hб, см	wб0, см
200×10-4	200×10-4	1500×10-4	20×10-4	60×10-4	1500×10-4	5×10-4	7×10-4	2×10-4

продовження таблиці 2.2.1

Nподл, см-3	Nк, см-3	Nб, см-3	Nэ, см-3	tб, с	t к, с	tэ, с	RТ, К/Вт
1019	5×1015	5×1016	5×1019	16×10-6	9×10-9	9×10-9	45

У розрахунках відходжу від системи СІ: у якості одиниць довжини (та похідних від неї), у даному випадку, вигідніше використовувати сантиметри. Розмірність інших величин залишаю у системі СІ. Деякі величини використовую з розрахунку діода ( та ін.). Проводжу розрахунки з використанням стійких індексів до величин, без переводу ( та ін.)

1) По графічних залежностях рухомості носіїв заряду від концентрації домішки (додаток А, рис. А.1) при відомих концентраціях у базовій і емітерній областях, визначаємо рухомості неосновних носіїв заряду в цих областях:

- в емітерній області неосновними носіями заряду є дірки, тому визначаємо рухомість для концентрації :

;

- у базовій області неосновними носіями заряду є електрони, тому визначаємо рухомість для концентрації :

;

- в розрахунках буде потрібна також рухомість основних носіїв заряду в базі (дірок), яку визначаємо по залежності для концентрації :

;

2) Розраховуємо коефіцієнти дифузії

- дірок в емітер:

- електронів у базу:

3) Тоді дифузійні довжини неосновних носіїв у базі й емітері :

см

см

4) Коефіцієнт інжекції емітера γ:

5) Коефіцієнт переносу χ:

6) Нормальний коефіцієнт підсилення :

7) З метою порівняння розрахуємо коефіцієнт підсилення транзистора в схемі з СЕ:

8) Площа емітерного й колекторного переходів S_э, S_к:

см²

см²

9) Інверсний коефіцієнт передачі :

10) Струм насичення емітерного переходу :

А

11) Струм насичення колекторного переходу :

А

12) Контактні різниці потенціалів переходів φ_кэ, φ_кк:

В

В

13) Бар'єрні ємності переходів при нульовому зсуві:

Ф

Ф

14) Опір бази транзистора :

Ом

15) Напруга проколу транзистора :

В

16) Напруга лавинного пробою :

В

17) Максимальну напругу колекторного переходу знаходять із умови: , тобто являє собою напруга, при якім коефіцієнт передачі стає рівним одиниці. Тобто:

Таким чином, необхідно розв'язати рівняння

Розв'язок рівняння отримую з використанням масиву підстановочних значень у програмі Mathcad. При цьому для розв'язку рівняння в залежностях і замість початкової товщини бази підставляємо ефективну товщину бази, яка визначається як

,

де параметр F – деякий розрахунковий коефіцієнт з розмірністю , який знаходиться по формулі:

Тоді складові рівняння можна записати в наступному виді:

Тоді загальне рівняння має вид

Розв'язок цього рівняння за допомогою використання програми Mathcad дає значення

При цьому ефективна товщина бази дорівнює

см

18) Знаходимо довжину збідненого шару :

см

19) Робоча напруга колекторного переходу :

В

20) Товщина колекторного переходу при робочій напрузі на колекторному переході :

см

21) Визначаємо струм генерації :

А

22) Визначаємо параметр Н за умовою

см

23) Струм насичення , що відповідає центральній частині колекторного переходу:

А

24) Струм насичення периферійної частини колекторного переходу, А:

;

,

А

25) Зворотний струм колекторного переходу :

А

26) Максимальний струм колектора :

А

27) Розраховуємо залежність коефіцієнта підсилення α_N від напруги на колекторі по формулі

Підставляємо значення від 0 до , результати розрахунків затягаємо в таблицю 2.2.2 і виконуємо побудову залежності, яка представлена на рисунку 2.2.2

Таблиця 2.2.2 Залежність

Uк, В	1	7	14	19	23	26	27
	0.943	0.949	0.953	0.961	0.974	0.992	1

U_к, В

α_N

Рисунок 2.2.2 — Залежність α_N від U_к

28) У якості порівняння схем з СБ та СЕ розраховуємо залежність коефіцієнта підсилення β_N (для схеми з СЕ) від напруги на колекторі, результати заносимо в таблицю 2.2.3. Графік отриманої залежності зображую на рисунку 2.2.3. Остання розрахункова точка на графіку не наведена, оскільки дане значення слід відкинути.

Таблиця 2.2.3 Залежність

Uк, В	0	1	4.3	14	18	20.7	23	24
	16.655	17.071	17.954	20.335	23.089	27.910	37.292	46.482

U_к, В

Рисунок 2.2.3 — Залежність βn від U_к

29) Рівняння для розрахунків вихідних характеристик у схемі СБ можна одержати зі співвідношень:

Поєднуючи їх одержуємо загальну формулу для статичних характеристик схеми з СБ

Далі задаємо значення струму емітера , , й для кожного з них розраховуємо статичну характеристику в діапазоні від 0 до .

Результати розрахунків представлено в таблицях 2.2.4, 2.2.5, 2.2.6, а побудовані залежності — на рисунку 2.2.4.

Таблиця 2.2.4 Вихідна характеристика при

Uкб, В	0	3	6	9	12	15	18	21	24	27
Iк, А	0.125	0.126	0.126	0.126	0.127	0.127	0.127	0.128	0.130	0.133

Таблиця 2.2.5 Вихідна характеристика при

Uкб, В	0	3	6	9	12	15	18	21	24	27
Iк, А	0.094	0.095	0.095	0.095	0.095	0.095	0.096	0.097	0.098	0.100

Таблиця 2.2.6 Вихідна характеристика при

Uкб, В	0	3	6	9	12	15	18	21	24	27
Iк, А	0.075	0.076	0.076	0.076	0.076	0.076	0.077	0.077	0.078	0.080

U_к, В

I_к, A

I_э=0,133 A

I_э=0,1 A

I_э=0,08 A

Рисунок 2.2.4 — Вихідні характеристики БПТ у схемі із спільною базою

ВИСНОВКИ

При розрахунках параметрів і характеристик напівпровідникового випрямного діода зворотний струм мав суттєво малі значення (сотні нА), оскільки випрямний діод пропускає струм тільки в один бік (для даної не великої частоти). В результаті побудов характеристик діода були отримана пряма та зворотна ВАХ кремнієвого діода при 300 К.

В ході розрахунків параметрів і характеристик біполярного транзистора були отримані значення основних параметрів: максимальна напруга колекторного переходу , робоча напруга колекторного переходу , напруга лавинного пробою , максимальний струм колектора I_km=0,133А. В результаті побудов характеристик були отримані вихідні ВАХ біполярного транзистора.

У курсовому проекті ми також порівняли коефіцієнти підсилення для схем с СБ та СЕ, а також побудували графік залежності коефіцієнту підсилення від напруги; у СБ коефіцієнт підсилення за струмом не більше одиниці, таку схему рідко використовують.

В результаті розрахунків параметрів і характеристик напівпровідникових приладів були отримані результати, що не суперечать довідковим даним.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Сайт: Российская электронная библиотека «Эрудиция» - www.erudition.ru, http://www.erudition.ru/referat/printref/id.46595_1.html.

2. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. (Под редакцией В.А. Лабунцова). -М: Энергоатомиздат, 1990, -576с.