1.1.2. Режимы работы транзистора

Возможны три режима работы биполярного транзистора:

1. Активный режим, когда один из переходов смещен в прямом направлении, а другой – в обратном. При этом возможны два варианта:

• Нормальное включение – на эмиттерный переход подается прямое напряжение, на коллекторный – обратное.

• Инверсное включение – когда на эмиттерный переход подано обратное напряжение, на коллекторный – прямое. Передача тока при этом значительно хуже, чем при нормальном включении, во-первых, из-за того, что коллектор легирован слабее, во-вторых, размеры эмиттера меньше, чем коллектора, и только часть зарядов попадает в эмиттер.

2. Режим насыщения (двойной инжекции) – характерен тем, что на обоих переходах эмиттерном и коллекторном действует прямое напряжение. При этом и эмиттер, и коллектор инжектируют носители в базу навстречу друг-другу и одновременно каждый из них собирает носители, дошедшие от другого.

3. Режим отсечки – когда оба перехода смещены в обратном направлении, транзистор заперт.

1.1.3. Схемы включения.

В зависимости от того, какой электрод соединен с общей шиной возможны три способа включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК). (рис.3)

Задавать прямое напряжение на p-n-переходе практически невозможно, как правило, задается прямой ток. Таким образом, для включения с ОБ характерна заданная величина тока эмиттера. Схема с ОБ обладает малым входным сопротивлением и не обеспечивает усиление по току, т.к. I_К ≈I_Э.

Для транзистора с ОЭ характерна заданная величина тока базы. Выходной ток пропорционален входному току:

I_К= β I_Б +I_КЭО (3)

где  – статический коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ;

I_КЭ0 – обратный ток коллектора при разомкнутой базе.

Коэффициенты ,  и токи I_КЭ0, I_КБ0 связаны соотношениями

(4)

(5)

Схема с ОЭ обеспечивает усиление тока, напряжения, мощности. Входное сопротивление больше входного сопротивления схемы с ОБ.

В схеме с общим коллектором (ОК) выходным током является ток эмиттера.

(6)

Схема с ОК обеспечивает усиление по току и не усиливает по напряжению. Достоинством схемы является её большое входное сопротивление.

1.1.4. Физическая модель биполярного транзистора (модель Эберса-Молла)

Нелинейная модель, предложенная Эберсом и Моллом, характеризует активную область транзистора, в ней отсутствуют резисторы, отражающие наличие пассивных областей базы и коллектора.

Два встречно включенных p-n-перехода транзистора отображаются в виде идеальных диодов с собственными токами I₁ и I₂ , а взаимодействие между ними – в виде генераторов тока _NI₁ и _II₂ (рис.4), где _N и _I – коэффициенты передачи тока при нормальном и инверсном включениях.

Токи диодов описываются выражениями:

I₁=I^_ЭО(еxp(U_Э/φ_T) – 1) (7)

I₂=I_KО(еxp(U_К/φ_T) – 1) (8)

где I^_ЭО, I^_KО – тепловые токи соответствующих переходов при коротком замыкании другого перехода;

φ_T – температурный потенциал.

Положительными считаются прямые напряжения на переходах: для p-n-p-транзистора:

U_Э=U_ЭБ,, U_К=U_КБ ,

для n-p-n-транзистора:

U_Э= -U_ЭБ, U_К= -U_КБ..

Из рис. 4 следуют соотношения:

. (9)

(10)

На практике принято измерять тепловые токи, не закорачивая, а обрывая цепь второго перехода. Соответствующие значения обозначают через I_Э0 и I_К0.С помощью формул (7) – (10) можно установить связь между тепловыми токами, измеренными в режиме холостого входа и режиме короткого замыкания второго перехода:

Подставляя токи и из (7), (8) в соотношения (9), (10) находим аналитические выражения для статических ВАХ транзистора:

(11)

(12)

Ток базы определяется как разность токов и :

(13)

Формулы (11) – (13) являются математической моделью транзистора.

Модель Эберса-Молла хорошо отражает обратимость транзистора – принципиальную равноправность обоих его переходов. Эта равноправность ярко проявляется в режиме двойной инжекции, когда на обоих переходах действуют прямые напряжения. В таком режиме каждый из переходов одновременно инжектирует носители в базу и собирает носители, дошедшие от другого перехода.

Для активного режима при , формулы (11), (12) упрощаются:

(14)

(15)

Из выражений (14),(15) следует, что в активном режиме коллекторное напряжение не влияет ни на входную, ни на выходную характеристики. При учете токов термогенерации и утечки формула (14) преобразуется в (1).