12. Основные характеристики биполярного транзистора. Схема замещения биполярного транзистора. Н-параметры.

Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частности, для усиления электрических сигналов. Термин “биполярный” подчеркивает тот факт, что принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд, - дырок и электронов. В дальнейшем для краткости будем его называть просто - транзистором.

  Структура транзистора, изготовленного по диффузионной технологии, приведена на рис . 3.1. Как видно из рисунка, транзистор имеет три области полупроводника, называемые его электродами, причем две крайние области имеют одинаковый тип проводимости, а средняя область - противоположный. Структура транзистора, приведенная на рис. 3.1, называется n-p-n-структурой. Электроды транзистора имеют внешние выводы, с помощью которых транзистор включается в электрическую схему. Одна из крайних областей транзистора, имеющая наименьшие размеры, называется эмиттером (Э). Она предназначена для создания сильного потока основных носителей заряда (в данном случае электронов), пронизывающего всю структуру прибора (см. рис 3.1). Поэтому эмиттер характеризуется очень высокой степенью легирования (N_DЭ = 10 ¹⁹ - 10 ²⁰ см ^-3 ). Другая крайняя область транзистора, называемая коллектором (К), предназначена для собирания потока носителей, эмиттируемых эмиттером. Поэтому коллектор имеет наибольшие размеры среди областей транзистора. Легируется коллектор значительно слабее эмиттера (подробнее вопрос о выборе концентрации атомов примеси в коллекторе рассмотрен ниже). Средняя область транзистора называется базой (Б). Она предназначена для управления потоком носителей, движущихся из эмиттера в коллектор. Для уменьшения потерь электронов на рекомбинацию с дырками в базе ее ширина W_Б делается очень маленькой ( W_Б<<L_n), а степень легирования - очень низкой - на 3...4 порядка ниже , чем у эмиттера (N _АБ<<N _DЭ). Между электродами транзистора образуются p-n-переходы. Переход, разделяющий эмиттер и базу, называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход, разделяющий базу и коллектор, - коллекторным переходом (КП). С учетом резкой асимметрии эмиттерного перехода (N _DЭ>>N _АБ) он характеризуется односторонней инжекцией: поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, значительно превосходит встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер.

СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Для расчета малосигнального режима в электронной цепи, в котором рассматриваются только переменные составляющие токов и напряжений, используются схемы замещения транзистора. В области низких и средних частот описание транзистора системой гибридных уравнений приводит к резистивной схеме рис. 14.4, а. Распространена также одногенераторная схема (рис. 14.4, б). Параметры первой схемы непосредственно выражаются через H-параметры транзистора.

Рис. 14.4

Определим связи между параметрами одногенераторной схемы и гибридными параметрами, рассматривая режим короткого замыкания на выходе ( ) в схеме рис. 14.4, б. Входное напряжение складывается из суммы падений напряжения на R_б и параллельно включенных R_э и R_к. Сумма токов, протекающих в параллельных ветвях, равна ( + 1)İ₁, и поэтому . Так как при коротком замыкании на выходе из системы H-уравнений следует , то параметры обеих схем связаны соотношением, приведенным в табл. 14.1. Выходной ток İ₂  в рассматриваемом режиме определяется разностью . Отсюда следует, что . Поэтому выходной ток при коротком замыкании на выходе (  ) равен или . Отсюда имеем соотношение для H₂₁ (см. табл. 14.1). Две другие связи определим из рассмотрения режима холостого хода на входе. В этом случае при İ₁ = 0 ток управляемого источника в схеме на рис. 14,4, б отсутствует, и она содержит только пассивные элементы. При питании цепи со стороны выходных зажимов ток  İ₂ протекает через элементы R_к и R_э. Поэтому значение выходного тока равно , а на входе имеем напряжение, определяемое падением на R_э: . Сопоставление полученных связей с H-уравнениями в режиме холостого хода на входе: , — дает возможность определить выражения для H₁₂ и H₂₂, приведенные в Табл. 14.1.

Таблица 14.1

H-параметры	Параметры одногенераторной схемы
	В общем случае	При H12 = 0
H11 = Rб + (1+) H12 = H21 =  – (1 + ) H22 =	Rб = H11 –H12(H21 + 1)/H22 Rэ = H12/H22 Rк = (1 – H12)/H22  = (H21 + H12)/(1 – H12)	Rб = H11 Rэ = 0 Rк = 1/H22  = H21

Обратные соотношения, выражающие параметры одногенераторной схемы через H-параметры, найдем, разрешая систему первого столбца таблицы относительно R_б, R_э, R_к и . Это дает результаты, приведенные во втором столбце таблицы.

При пренебрежении малым параметром H₁₂ все связи существенно упрощаются, и возможно отождествление отдельных параметров одногенераторной схемы с H-параметрами. Соответствующая схема замещения показана на рис. 14.5, а.

Рис. 14.5

Учитывая соотношения между параметрами H₁₁<< 1/H₂₂, можно принять более простую модель транзистора с нулевой выходной проводимостью H₂₂ = 0 (рис. 14.5, б). В еще более приближенной модели отсутствует входное сопротивление (H₁₁ = 0). Такое идеализированное описание транзистора приводит его схему замещения к идеальному источнику тока, управляемому входным током (рис. 14.5, в).

Н – параметры биполярного транзистора.

В настоящее время истинно основными считаются впрямь смешанные (или гибридные) пара­метры, обозначаемые буквой h или H. Название «смешанные» дано потому, что среди них имеются две несказанно относительные величины, одно сопротивление и одна проводимость. Именно h-параметры приводятся во всех справочниках. Параметры системы h удобно измерять. Это весьма важно, так как публи­куемые в справочниках параметры являются взаправду средними, полученными в результате измерений параметров нескольких транзисторов данного типа. Два из h-параметров определяются при коротком замыкании для переменного тока на выходе, т. е. при отсутствии нагрузки в истинно выходной цепи. В этом случае на выход транзистора подается только постоянное напряжение (U2=const) от ис­точника Е2. Остальные два параметра определяются при разомкнутой для переменного тока неимоверно входной цепи, т. е. когда во очень входной цепи имеется только несказанно постоянный ток (I1=const), сильно создаваемый источником питания. Условия U2=const и I1=const нетрудно осуществить на практике при измерении h-параметров.

I1 I2

U1 U2

Рис. 7-1.

Схема транзистора, представленного в виде активного четырёхполюсника.

В систему h-параметров входят следующие величины.

Входное сопротивление

при U2=const(7.1)

представляет собой сопротивление транзистора между входными зажимами для переменного входного тока при коротком замыкании на выходе, т. е. при отсутствии выходного переменного напряжения.

При таком условии изменение входного тока является результатом изменения только входного напряжения . А если бы на выходе было пе­ременное напряжение, то оно за счет обратной связи, существующей в транзисторе, влияло бы на входной ток. В результате входное сопротивление получалось бы различным в зависимости от переменного напряжения на выходе, которое, в свою очередь, зависит от сопротивления нагрузки RH. Но параметр должен характеризовать сам транзистор (независимо от RH), и поэтому он определяется при u2 = const, т. е. при RH = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению

при (7.2)

показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие наличия в нем внутренней обратной связи.

Условие в данном случае подчеркивает, что во входной цепи нет переменного тока, т. е. эта цепь разомкнута для переменного тока, и, следо­вательно, изменение напряжения на входе , есть результат изменения только выходного напряжения .

Как уже указывалось, в транзисторе всегда есть внутренняя обратная связь за счет того, что электроды транзистора имеют электрическое соединение между собой, и за счет сопротивления базы. Эта обратная связь существует на любой низкой частоте, даже при f=0, т. е. на постоянном токе.

Коэффициент усиления по току (коэффициент передачи тока)

при U2 = const(7.3)

показывает усиление переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки.

Условие U2 = const, т. е. RH = 0, и здесь задается для того, чтобы изменение выходного тока зависело только от изменения входного тока . Именно при выполнении такого условия параметр будет действительно характеризовать усиление тока самим транзистором. Если бы выходное напряжение менялось, то оно влияло бы на выходной ток и по изменению этого тока уже нельзя было бы правильно оценить усиление.

Выходная проводимость

при (7.4)

представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между вы­ходными зажимами транзистора.

Ток должен изменяться только под влиянием изменения выходного напряжения и2. Если при этом ток , не будет постоянным, то его изме­нения вызовут изменения тока и значение h22 будет определено неправильно.

Величина h22 измеряется в сименсах (S). Так как проводимость в практи­ческих расчетах применяется значительно реже, нежели сопротивление, то в даль­нейшем мы часто будем пользоваться вместо h22 выходным сопротивлением , выраженным в Омах или килоОмах.