2.1.7. Статические параметры транзисторов

Статические параметры транзисторов позволяют установить взаимосвязь между малыми изменениями токов и напряжений, что особенно важно при работе транзисторов в режиме линейного усиления сигналов. К основным статическим параметрам относятся следующие.

1. Дифференциальный коэффициент передачи:

а) эмиттерного тока в схеме с ОБ; α = I_c/ I_e при V_c=const (2.23а).

а) базового тока в схеме с ОЭ; B₀ = I_c/ I_b при V_c=const (2.23б).

2. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:

r_e = V_e/ I_e при V_c=const. (2.24а)

Дифференцируя соотношение (1.16б), имеем: r_e = kT/αI_e (2.24б).

При комнатной температуре r_e порядка 10 Ом.

3. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:

r_e = V_с/ I_с при I_e=const (2.25а).

Этот параметр обусловлен модуляцией (изменением) толщины базы переменным напряжением на коллекторе. Эффект проявляется в том, что при изменении толщины базы изменяется доля инжектированных носителей, достигающих коллектора, при неизменном токе эмиттера. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода можно определить по формуле

. (2.25б)

Сопротивление r_e имеет величину порядка 10⁶ Ом.

4. Коэффициент внутренней обратной связи по напряжению

μ_ec = V_e/ I_c при I_e=const. (2.26а).

Наличие обратной связи по направлению от эмиттера к коллектору также является следствием модуляции базы. Изменение толщины база при изменении напряжения на коллекторе приводит к изменению концентрации дырок у эмиттерного перехода в базе при I_e=const, что эквивалентно изменению эмиттерного напряжения.

Величину μ_ec можно оценить по формуле:

μ_ec = - , (2.26б)

что при типичных значениях параметров дает μ_ec10^-4 В/А.

5. Напряжение, приложенное между базой и эмиттером V_be падает на эмиттерном p-n-переходе и на объемном сопротивлении базы r_b.

V_be = V_e +I_b r_b (2.27а)

Поскольку ток базы течет в направлении, перпендикулярном потоку дырок, то активное сопротивление определяется геометрическими размерами базы

r_b = Kρ_b/W . (2.27б)

Здесь ρ_b – удельное сопротивление базы, K  0,1 – коэффициент, определяемый геометрией транзистора.

Из приведенных формул можно определить взаимосвязь между внутренними параметрами транзистора

2μ_ecr_к(-) = r_э (2.28)

2.1.8. Биполярный транзистор как четырехполюсник.

При работе транзистора в активном режиме в случае усиления малого сигнала, когда его напряжение много меньше постоянных напряжений, действующих на электродах транзистора, его можно рассматривать как активный линейный четырехполюсник. На практике наиболее широкое распространение для описания биполярного транзистора, как четырехполюсника, получила система h-параметров. Согласно ей входное напряжение V₁ и выходной ток I₂ связаны с выходном напряжением V₂ и входным током I₁ следующий системой линейных уравнений.

V₁ = h₁₁I₁ + h₁₂V₂ (2.29а)

I₂ = h₂₁I₁ + h₂₂V₂ (2.29б)

Величины h_ik представляют собой дифференциальные параметры, характеризующие четырехполюсник в данной рабочей точке, заданной постоянными ^:токами и напряжениями. Они имеют следующий смысл:

h₁₁ = V₁/I₁ |V_с = 0 – входное сопротивление четырехполюсника при коротком замыкании по переменной составляющей на выходе; h₁₂ = V₁/V₂ |I₁ = 0 – коэффициент обратной передачи напряжения при холостом ходе (по переменной составляющей) на входе; h₂₁ = I₂/I₁ |V₂ = 0 – коэффициент прямой передачи тока при коротком замыкании по переменной составляющей на выходе; h₂₂ = I₂/V₂ |I₁ = 0 – выходная проводимость при холостом ходе на входе.

Величины h_ik можно выразить параметры транзистора. На практике ограничиваются измерением параметров h₂₁ и h₂₂, значения которых различны в схемах с ОБ и с ОЭ:

а) для схемы с ОБ: h₂₁α; h₂₂ 1/r_c (1.30а)

б) для схемы с ОЭ: h₂₁B₀; h₂₂ 1/r_c^*, r_c^* = r_c(1-α) (2.30б)

Параметр r_e рассчитывают обычно по формуле (2.24б). Зная величины r_e, r_c и α, по формуле (2.28) можно рассчитать μ_ec.

Существует несколько разновидностей структур биполярных транзисторов (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Структуры транзисторов: а - сплавного; б - эпитаксиально-диффузионпого; в - планарного; г- мезатранзистора; 1 - база; 2 - эмиттер; 3 – коллектор; 4- эпитаксиальная подложка

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузи­онными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Понятие “диффузионный транзистор” отражает основные процессы, происходящие в базе, поэтому его не следует путать с технологическим процессом получения р-n-переходов.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выпол­няют низкоомными, а базу - относительно высокоомной (десятки—сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора.