5.6. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Эквивалентная схема – эта схема, в которой реальные процессы в нелинейных устройствах заменены на набор активных (источники тока и напряжения) и пассивных (резисторы, емкости) элементов, адекватно описывающих взаимосвязь входных и выходных параметров. На основе рассмотренных характеристик представим эквивалентную схему транзистора при включении по схеме с общей базой и общим эмиттером в следующем виде (рис. 5.12, 5.13). Приведенная эквивалентная схема справедлива для рассмотрения статических характеристик биполярного транзистора, а также для рассмотрения этих характеристик в области низких частот. Эта схема называется Т-образной эквивалентной схемой, отражает основные физические процессы, происходящие в транзисторе, и удобна для их анализа.

Рис. 5.12. Эквивалентная схема биполярного транзистора

при включении по схеме с общей базой

Рис. 5.13. Эквивалентная схема биполярного транзистора

при включении по схеме с общим эмиттером

На эквивалентных схемах изображены основные пассивные элементы (сопротивления r_э, r_к, r_б , емкости коллекторного С_Б и эмиттерного С_диф переходов), активные элементы (генераторы тока J_Э, J_Б в коллекторной цепи, источник ЭДС _экU_к в эмиттерной цепи, отражающий обратную связь между эмиттером и коллектором).

Основные параметры эквивалентной схемы транзистора выражаются через конструктивно-технологические параметры следующим образом:

;

Величины коэффициентов , r_э, r_к, _эк для биполярного транзистора лежат в пределах:  = 0,95 - 0,995, r_э = 1 - 10 Ом, r_к = 10 - 10⁶ Ом, _эк = 10^-3÷10^-5.

Для биполярного транзистора при включении по схеме с общим эмиттером эквивалентная схема выглядит аналогично.

Основные параметры эквивалентной схемы имеют тот же вид, что и в схеме с общей базой, кроме С_к^* и r_к^*, равных: С_к^* = С_к( + 1), r_к^* = r_к( + 1).

Формулы Эберса – Молла являются универсальными соотношениями, которые описывают характеристики биполярных транзисторов во всех режимах работы.

Для такого рассмотрения представим БТ в виде эквивалентной схемы, приведенной на рис. 5.14. Два диода и два источника тока включены навстречу друг другу. Источники токов управляют токами диодов, сами диоды считаются идеальными.

Рис. 5.14. Эквивалентная схема биполярных транзисторов во всех режимах работы

При нормальном включении через эмиттерный p-n-переход течет ток I₁, через коллекторный переход течет ток α_NI₁ – меньший чем I₁, вследствие рекомбинации части инжектированных носителей в базе. На рис. 5.14 этот процесс изображен как генератор тока α_NI₁, где α_N – коэффициент передачи эмиттерного тока. При инверсном включении транзистора прямому коллекторному току I₂ будет соответствовать эмиттерный ток α_II₂, где α_I – коэффициент инверсии. Таким образом, токи эмиттера J_э и коллектора J_к в общем случае состоят из инжектируемого (I₁ или I₂) и экстрагируемого (α_NI₁ или α_II₂) токов:

(5.18)

Величины токов I₁ и I₂ выражаются для p-n-переходов стандартным способом:

(5.19)

где I_э0' и I_к0' – тепловые (обратные) токи p-n-переходов. Отметим, что токи I_э0' и I_к0' отличаются от обратных токов эмиттера I_э0 и коллектора I_к0 биполярного транзистора.

Оборвем цепь эмиттера (J_э = 0) и подадим на коллекторный переход большое запирающее напряжение U_к. Ток, протекающий в цепи коллектора при этих условиях, будем называть тепловым током коллектора I_к0. Поскольку J_э = 0, из (5.18) следует, что I₁ = α_II₂, а из (5.19) I₂ = - I_к0', поскольку U >> kT/q.

Полагая J_к = I_к0, получаем в этом случае:

,

. (5.20)

Отличие обратных токов I_к0 и I_к0' состоит в том, что ток I_к0 определяется при короткозамкнутой цепи эмиттера (U_э = 0), а ток I_к0' - при разомкнутой (J_э = 0).

Обозначим ток эмиттера при большом отрицательном смещении и разомкнутой цепи коллектора через I_э0' – тепловой ток эмиттера:

. (5.21)

Величины теплового эмиттерного и коллекторного токов значительно меньше, чем соответствующие тепловые токи диодов.

Подставляя (5.19) в (5.18), получаем:

,

, (5.22)

,

где J_б – ток базы, равный разности токов эмиттера J_э и коллектора J_к.

Формулы (5.22) получили название формул Эберса – Молла и полезны для анализа статических характеристик биполярного транзистора при любых сочетаниях знаков токов и напряжений.

При измерении теплового тока коллектора I_к0 дырки как неосновные носители уходят из базы в коллектор: J_к = J_б (J_э = 0). При этом поток дырок из базы в эмиттер не уравновешен и их переходит из эмиттера в базу больше, чем в равновесных условиях. Это вызовет накопление избыточного положительного заряда в базе и увеличение потенциального барьера на переходе эмиттер – база, что, в конце концов, скомпенсирует дырочные токи.

Таким образом, необходимо отметить, что при изменении теплового тока коллектора эмиттер будет заряжаться отрицательно по отношению к базе.