8. Биполярные транзисторы

Различают три схемы включения биполярных транзисторов (рис. 4.42): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Риc. 4.42. Основные схемы включения транзисторов

На практике чаще всего используются два семейства ВАХ транзисторов — входные и выходные. Входные характеристики определяют зависимость входного тока (базы или эмиттера в зависимости от способа включения транзистора) от напряжения между базой и эмиттером при фиксированных значениях напряжения на коллекторе. Выходные характеристики определяют зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при фиксированных значениях тока базы или эмиттера (в зависимости от способа включения транзистора).

Входные характеристики имеют вид, аналогичный характеристикам диодов: ток экспоненциально возрастает с увеличением напряжения база-эмиттер. При повышении и понижении температуры входные характеристики смещаются в сторону меньших и больших входных напряжений соответственно. Напряжение между базой и эмиттером для кремниевых транзисторов уменьшается примерно на 2 мВ при увеличении температуры на каждый градус Цельсия.

Особенностью выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОБ, является слабая зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-база U_кб. При больших напряжениях U_кб происходит пробой коллекторного перехода. При увеличении температуры выходные характеристики смещаются в сторону больших токов из-за увеличения обратного тока I_ко.

У транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток коллектора более сильно зависит от напряжения коллектор-эмиттер. Резкое возрастание тока коллектора начинается при меньшем коллекторном напряжении, чем для включения транзистора по схеме с ОБ. При повышении температуры выходные характеристики значительно смещаются в сторону больших токов, их наклон сильно увеличивается.

ВАХ транзисторов и диодов снимаются на постоянном токе (по точкам) или помощью специальных приборов — характериографов, позволяющих избежать перегрева приборов.

Входные и выходные характеристики транзисторов используются для расчета цепей смещения и стабилизации режима, расчета конечных состояний ключевых схем (режимов отсечки и насыщения).

В библиотеку EWB включено достаточно большое количество импортных биполярных транзисторов, отечественные аналоги которых можно найти в [11, 15]. В некоторых случаях может оказаться более удобным самостоятельно создать отдельную библиотеку отечественных транзисторов, используя команду Model из меню Circuit.

В состав параметров транзисторов включены следующие (см. рис. 4.43, в квадратных скобках приведены обозначения параметров, принятые в EWB 5.0):

1. Обратный ток коллекторного перехода, A (Saturation current Is [IS]);

2. Коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ Н21э (Forward current gain coefficient BF [BF]);

3. Коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ при инверсном включении транзистора (эмиттер и коллектор меняются местами) (Reverse current gain coefficient BR [BR]);

4. Объемное сопротивление базы, Ом (Base ohmic resistance rb[RB]);

5. Объемное сопротивление коллектора, Ом (Collector ohmic resistance rc [RC]);

6. Объемное сопротивление эмиттера, Ом (Emitter ohmic resistance re [RE]);

7. Емкость эмиттерного перехода при нулевом напряжении, Ф (Zero-bias B-E junction capacitance Ce [CJE]);

8. Емкость коллекторного перехода при нулевом напряжении, Ф (Zero-bias C-E junction capacitance Сс [СJC]);

9. Емкость коллектор-подложка, Ф (Substrate capacitance Cs [CJS]);

10. Время переноса заряда через базу, с (Forward transit time tF [TF]);

11. Время переноса заряда через базу в инверсном включении, с (Revers transit tR [TR]);

12. Коэффициент плавности эмиттерного перехода (B-E junction grading coefficient me [ME]);

13. Коэффициент плавности коллекторного перехода ,(В-С junction grading coefficient mc [MC]);

14. Напряжение Эрли, близкое к параметру UK max, В (Early voltage VA [VA]);

15. Обратный ток эмиттерного перехода, A (Base-Emitter Leakage Saturation Current Ise [ISE]);

16. Ток начала спада усиления по току, близкое к параметру Ik max, A (Forward Beta High-Current Knee-Point ikf [IKF]);

17. Коэффициент неидеальнрсти эмиттерного перехода (Base-Emitter Leakage Emission Coefficient Ne [NE]).

18. Контактная разность потенциалов перехода база-коллектор, В (В-C junction potential pc [VJC]).

19. Контактная разность потенциалов перехода база-эмиттер, В (B-E junction potential pe [VJE]).

Рис. 4.43. Окно установки параметров биполярных транзисторов

Набор задаваемых параметров для биполярных транзисторов в EWB 5.0 заметно больше, чем в EWB 4.1, — они собраны в пяти окнах-закладках. Дополнительные параметры находятся в последних. трех закладках, одна из которых показана на рис. 4.44. Эти параметры имеют следующие назначения:

NF — коэффициент неидеальности в нормальном режиме;

NR — коэффициент неидеальности в инверсном режиме;

IKR — ток начала спада коэффициента усиления тока в инверсном режиме, А;

NC — коэффициент неидеальности коллекторного перехода;

RBM — минимальное сопротивление базы при больших токах, Ом;

IRB— ток базы, при котором сопротивление базы уменьшается на 50% от разницы irb-rbm, А;

XTF— коэффициент, определяющий зависимость времени TF переноса зарядов через базу от напряжения коллектор-база;

VTF— напряжение коллектор-база, при котором начинает сказываться его влияние на TF, В;

ITF— ток коллектора, при котором начинается сказываться его влияние на TF, А;

PTF— дополнительный фазовый сдвиг на граничной частоте транзистора

Fгр= 1/(2πТF), град.;

VJS— контактная разность потенциалов перехода коллектор-подложка, В;

MJS— коэффициент плавности перехода коллектор-подложка;

XCJC — коэффициент расщепления емкости база-коллектор;

FC - коэффициент нелинейности барьерной емкости прямо смещенных переходов;

EG— ширина запрещенной зоны, эВ;

Рис. 4.44. Окно установки значений дополнительных параметров биполярных транзисторов, закладка 3

XTB — температурный коэффициент усиления тока в нормальном и инверсном режимах;

XTI — температурный коэффициент тока насыщения;

KF—коэффициент фликкер-шума;

AF—показатель степени в формуле для фликкер-шума;

TNOM — температура транзистора.

В программе EWB используется модель биполярного транзистора Гуммеля-Пуна, подробно проанализированная в [2].

Рассмотрим способы измерения основных характеристик биполярных транзисторов.

Вольтамперные характеристики. Наиболее распространенной и более простой моделью (по сравнению с моделью Гуммеля-Пуна) биполярного транзистора является модель Эберса-Молла [12]. Согласно этой модели статические входные и выходные ВАХ транзистора в схеме с ОБ описываются следующими выражениями:

Ie=AI'_eo-αCI_ko;(4.8)

Ik = А α' I'_eo-СI'_ko, (4.9)

где А = exp(U_eb/U_t) - 1; С = exp (U_kb/U_t) -1; I'_eo= D I_eo; I'_ko = D I_ko; D = 1 - αα'; I_ko, I_eo -тепловые токи коллекторного и эмиттерного переходов; α, α'— κоэффициенты передачи тока в схеме с ОБ для прямого и инверсного включения транзистора; U_kb, U_eb -напряжения на коллекторе и эмиттере относительно базы.