11.5. Схемы включения и статические вах транзисторов

Рассмотренную выше схему включения транзистора называют включением транзистора по схеме с общей базой, поскольку базовый вывод является общим для входной и выходной цепей (см. рис. 11.3). При этой схеме включения справедливы следующие соотношения между токами:

; .

На рис. 11.7 приведена та же схема включения с использованием условного изображения транзистора и его выводов.

Рис. 11.7. Схема вклю­чения транзистора с ОБ	Рис. 11.8. Схема вклю­чения транзистора с ОЭ	Рис. 11.9. Схема включе­ния транзистора с ОК

На рис. 11.8 при­ведена схема включения транзистора с общим эмиттером. При такой схеме включения транзистор является усилителем по току:

.

На рис. 11.9 приведена схема включения транзистора с общим кол­лектором. В этом случае

,

т. е. транзистор, включенный по этой схеме, также является усилите­лем по току.

Например, если значение коэффициента передачи тран­зистора по току , то и будут порядка 100.

Входная характеристика транзистора, включенного по схеме с об­щей базой, есть просто прямой ток p-n-перехода (рис. 11.10):

Р и с. 11.10. Входные характе­ристики транзистора (схема ОБ)	Р и с. 11.11. Выходные характери­стики транзистора (схема ОБ)

.

При подаче запирающего напряжения на коллектор входная ха­рактеристика меняется слабо, что указывает на незначительное влия­ние поля коллектора на входную цепь.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общей базой (рис. 11.11), представляют собой семейство характери­стик, соответствующих различным значениям тока эмиттера .

При в цепи транзистора течет так называемый холостой неуправляе­мый ток коллектора

.

Здесь – обычный ток насыщения запертого перехода; – напряжение коллектор–база; – сопротивление утечки. Ток обычно мал. Если , то

.

Характеристика передачи близка по своему виду к прямой (рис. 11.12). Тангенс угла наклона прямых при больших токах эмиттера слегка уменьшается из-за роста рекомбинационного тока.

Рис. 11.12. Характеристики передачи транзистор	Р и с. 11.13. Выходные ха­рактеристики транзистора (схема ОЭ)

Для схемы с общим эмиттером, в отли­чие от схемы с общей базой, крутой ниспа­дающий участок (пунктирные линии) рас­положен при малых отрицательных напря­жениях коллектора, так при кол­лекторный переход начинает открываться (рис. 11.13).

11.6. Параметры транзистора

Параметрами транзисторов, связанными с физическими процес­сами в них и не зависящими от способа их включения, являются со­противления эмиттера и коллектора, сопротивление базы, так назы­ваемый параметр обратной передачи и другие.

Сопротивление эмиттера. По определению,

;

и

.

Сопротивление коллектора. Содержащиеся в тексте главы данные вполне достаточны для вычисления (необходимо только знать пра­вила дифференцирования):

; ; ;

,

где (после преобразования); где – ширина обедненного слоя коллекторного перехода. Так как

, то , а ; и

; .

Параметр обратной передачи. Дырочный ток эмиттера

.

Если , то . Следовательно, дырки распределя­ются области базы по линейному закону (рис. 11.14).

Рис. 11.14. Изменение концентра­ции носителей у эмиттера при изме­нении напряжения на коллекторе

Увеличение напряжения на коллекторе приведет к расширению p-n-перехода, т. е. к уменьшению ширины базы на . Если ток эмиттера постоянен, то и постоянна, следовательно, постоянно и , и концентрация дырок у эмиттерного перехода уменьшится, что эквива­лентно уменьшению напряжения эмиттера . Подытожив, можно сказать, что существует обратная связь по напряжению между коллек­торным и эмиттерными переходами. Это же можно рассматривать как изменение сопротивления эмиттерного перехода.

Если, с другой стороны, поддерживать постоянным напряжение эмиттера, т.е. , то, так как , при изменении произойдет изменение плотности дырочного тока и производной . Но изменение тока через переход при также можно рассматривать как изменение сопротивления эмиттерного перехода рис. 11.15).

Рис. 11.15. Изменение шири­ны базы при изменении напря­жения коллектора

Таким образом, для малого синусоидального сигнала эмиттерный переход можно рассматривать, как обычное диодное дифференциальное сопротивление и последовательно включенный с ним эквивалентный генератор , отражающий наличие связи по напряжению между переходами. ЭДС этого генератора пропорциональна :

,

де — параметр обратной передачи. Обычно .

Сопротивление базы. При решении уравнения диффузии для плоской одномерной модели транзистора намеренно (чтобы не усложнять задачу) умолчали о том, что в реальном транзисторе токи, протекающие по базовой области, вызывают падение напряжения на объ­емном сопротивлении базы (рис. 11.16).

Рис. 11.16. К расче­ту рекомбинации но­сителей на поверхно­сти

Объемное сопротивление базы, обозначенное через , состоит из сопротивления активной области базы (кольца диаметром и шириной ) и пассивной области базы (кольца диаметром – и шириной ). Основной вклад в величину объемно­го сопротивления базы вносит активная часть базовой области: .

С ростом величина может существенно уменьшится из-за уменьшения удельного сопротивления базы вследствие повышения концентрации носителей и из-за «эффекта оттеснения тока эмиттера от центра Э к его периферии» (рис. 11.17).

Рис. 11.17. Эффект оттеснения

Объясним причины, вызывающие этот эффект.

Падение напряжения за счет протекания тока между точками А и Б будет общим для всех точек эмиттерного перехода. По мере удале­ния от края эмиттера влево падение напряжения между точкой Б и соответствующей точкой эмиттерного перехода увеличивается, следовательно, уменьшается напряжение на эмиттерном переходе, которое есть разность между и падением напряжения в объеме базы. В результате плотность эмиттерного тока мак­симальна вблизи края эмиттера, центральная часть эмиттера (активная область) будет недог­ружена. Это приводит к снижению эффектив­ности эмиттера и увеличению потерь на поверх­ностную рекомбинацию.

Помимо объемного сопротивления базы имеется и диффузионное сопротивление базы , которое является одним из проявлений эффекта расширения коллекторного перехода и частично может рас­сматриваться как иная интерпретация уже известного нам эффекта не с помощью генератора ЭДС ( ), а с помощью некоторого эк­вивалентного или диффузионного сопротивления базы, отражающе­го как наличие объемного сопротивления базы, так и эффект взаимо­действия переходов:

; .

Емкости транзистора. В диапазоне высоких частот на свойства транзистора оказывают существенное влияние барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов:

; .

Значения и составляют порядка 10... 100 пФ.

Надо учитывать и диффузионные емкости переходов. Рассмотрим изменение концентрации носителей в базе при изменении (рис. 11.18).

Рис. 11.18. К рас­чету диффузионной емкости транзистора

Концентрацию дырок у коллектора можно принять рав­ной нулю, так как все дырки отсасываются полем коллекторного пе­рехода.

Диффузионная емкость характеризует накопление неравновесного заря­да

,

откуда

,

где через τ_D обозначено время пролета носителей в базе, (см. ниже); , поэтому при работе транзисто­ра на высоких частотах главную роль играет именно диффузионная емкость.

Емкость коллектора составляет

;

из-за малости экспоненциального множителя.

11.7. Н-параметры транзисторов

Статические характеристики транзистора показывают, что связь между токами и напряжениями выражается нелинейной зависимо­стью, т. е. в общем транзистор является нелинейным элементом.

Од­нако на поле статических характеристик всегда можно выбрать не­большую область, в пределах которой связь между токами и напряже­ниями можно с той или иной степенью точности считать линейной. В этом случае транзистор можно использовать для линейного усиления сигналов.

Транзистор с его тремя выводами с точки зрения теории электри­ческих цепей представляет собой трехполюсник.

Однако при любой схеме включения один вывод является общим для входной и выход­ной цепей, и транзистор можно рассматривать как четырехполюсник.

Схема четырехполюсника проста (рис. 11.19).

Рис. 11.19. Транзистор как четырехполюсник

Входные параметры обозначают цифрой 1, выходные – цифрой 2. В общем случае все че­тыре величины , , , являются взаимосвязанными, но доста­точно задать две из них, чтобы по статическим характеристикам од­нозначно определить две другие величины.

Пусть в общем случае

где , – независимые переменные; , – зависимые. Если предположить, что приращения и малы, то приращения и могут быть определены с помощью разложения в ряд Тэйлора:

(11.9)

(в разложении ограничиваемся членами пер­вого порядка малости).

В зависимости от выбора независимых переменных частные производные в системе линейных уравнений (11.9) могут иметь раз­мерности сопротивлений, проводимостей или быть безразмерными.

Наиболее употребительны параметры:

Здесь

– входное сопротивление при холостом ходе (выходная цепь разомкнута);

– сопротивление обратной передачи, характеризует воздействие выходного тока на входное напряжение при холостом токе на входе;

– сопротивление прямой передачи, характеризует воздействие входного тока на выходное напряжение при холостом токе на выходе;

– выходное сопротивление при холостом токе на входе.

параметрами являются:

– входная проводимость при коротком замыкании;

– проводимость обратной передачи при обратном коротком замыкании;

– проводимость прямой передачи при обратном ко­ротком замыкании;

– выходная проводимость при обратном коротком замыкании.

параметрами являются:

– входное сопротивление при коротком замыкании;

– коэффициент обратной передачи по напряжению при обратном холостом ходе;

– коэффициент передачи тока в прямом направлении при коротком замыкании;

– выходная проводимость при обратном холостом ходе.

Существует ряд соотношений между параметрами. Так, , , (в схеме с общей базой), (в схеме с общим эмиттером).

Коэффициенты уравнений любой системы ха­рактеризуют все свойства активного линейного четырехполюсника, они образуют систему основных, или первичных, его параметров.

Вторичные параметры четырехполюсника – коэффициенты усиления по току, напряжению или мощности, входное и выходное сопротивления в рабочем режиме могут быть рассчитаны по первичным параметрам.