ФОЭ, учебное пособие 2016

импульсные и частотные свойства лучше. В настоящее время БТ изготавливаются преимущественно в виде дрейфовых транзисторов.

7.3. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Если для полевых транзисторов наиболее распространённой является схема с общим истоком, то для БТ – это схема с общим эмиттером, рис. 37.

Рис. 37

При таком включении входным, управляющим током является самый маленький ток БТ – ток базы Iб, составляющий обычно 1…2 % от токов Iэ и Iк. Поэтому усиление по току достигает десятков – сотен раз, а усиление по мощности максимально.

Из основных уравнений схемы с общей базой можно получить основные уравнения схемы с общим эмиттером:

Здесь β – коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Согласно (44), обратный ток коллектора в схеме с общим эмиттером Iкэ0 значительно больше, чем Iкб0. Однако в кремниевых БТ и этот ток очень мал.

51

Из основных уравнений данных схем включения следует связь β и α:

Если, например, количество экстрагированных из базы носителей составляет 98% от количества инжектированных в неё носителей, то α = 0.98. При этом согласно (46), β ≈ 50. Усиление по току в схеме с общим эмиттером в этом случае примерно в 50 раз больше, чем в схеме с общей базой.

7.4. Статические характеристики биполярного транзистора

Входные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости

Iэ(Uэб) при различных Uкб , т.е. ВАХ эмиттерного перехода, рис. 38а. Эти характеристики

Рис. 38

представляют интерес только при прямых входных напряжениях. Они близки к обычной для ВАХ p-n перехода экспоненте.

Положение входной характеристики несколько зависит от выходного напряжения Uкб. При увеличении этого напряжения увеличивается толщина обедненного слоя КП. Следовательно, уменьшается эффективная толщина базы w и возрастает градиент инжектированных в неё свободных электронов dn/dw. Поэтому с ростом Uкб возрастает и диффузионный входной ток (эффект Эрли).

Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой – это зависимости

Iк(Uкб) при различных токах эмиттера, т.е. ВАХ коллекторного перехода, рис.

38б.

52

По форме они такие же, как обратная ветвь ВАХ p-n перехода (см. рис. 14,б), но смещены от нуля на значение тока, созданного за счет инжектированных из эмиттера в базу электронов. В отличие от ВАХ p-n перехода, их принято помещать в первом квадранте, т.е. в перевёрнутом виде. Выходные характеристики обычно изображают в виде семейства характеристик. Это позволяет графически отразить не только зависимость

Iк(Uкб), но и зависимость Iк(Iэ).

По отношению к ВАХ p-n перехода выходные характеристики частично смещены в область прямых напряжений. Следовательно, Iк остаётся большим в отсутствие напряжения на КП и даже при небольших прямых напряжениях. Это объясняется тем, что экстракция неосновных носителей из базы осуществляется собственным полем КП. И только при небольших прямых напряжениях, близких к к0, ток в нём исчезает из-за встречного диффузионного тока КП.

Входные и выходные характеристики БТ в схеме с общим эмиттером,

как и в схеме с общей базой, подобны ВАХ p-n перехода.

Входные характеристики изображены на рис. 39. Входное напряжение в схеме с общим эмиттером UбЭ – это напряжение на ЭП. Входной ток – это почти неизменная часть тока ЭП: Iб ≈ Iэ/β. Поэтому входные характеристики

Рис. 39

в схеме с общим эмиттером отличаются только обратным проявлением эффекта Эрли, т.е. влиянием выходного напряжения Uкэ на входной ток Iб. Когда с ростом Uкэ КП расширяется, а база сужается, Iб уменьшается из-за уменьшения рекомбинации. Входные характеристики смещаются вправо, а не влево, как в схеме с общей базой. Выходные характеристики схемы общим эмиттером изображены на рис. 40. Выходной ток Iк, как и в схеме с общей базой – это ток КП. Выходное напряжение Uкэ - это напряжение на КП плюс напряжение на ЭП: Uкэ = Uкб + Uбэ. Поэтому выходные характеристики на величину Uбэ смещены вправо и целиком находятся в первом квадранте. Из-за того, что выходное напряжение частично приложено и к ЭП, выходные характеристики имеют также более значительный наклон.

53

Рис. 40

8.ИНЕРЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МДП И БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

8.1.Причины инерционности МДП и биполярных транзисторов

Термины инерционные или динамические свойства транзисторов подразумевают их неспособность мгновенно реагировать на появление входного сигнала. Если входным сигналом являются импульсы, открывающие или закрывающие транзисторный ключ, говорят об импульсных свойствах транзистора. Такие сигналы характерны для основной на сегодня цифровой электроники. Если сигнал непрерывный и описывается функциями частоты или частотным спектром, говорят о частотных свойствах. Такие сигналы характерны для аналоговой электроники.

Главной причиной инерционности любых электронных элементов является наличие в них ёмкостных или индуктивных, т.е. реактивных

составляющих токов и напряжений. Так, ёмкостная составляющая тока любого диода возникает в нём из-за барьерной или диффузионной ёмкости. Индуктивная составляющая тока в элементах возникает из-за того, что любой проводник или полупроводник с током обладает индуктивностью. Например, при повышении рабочей частоты в элементах уже приходится учитывать паразитные индуктивности выводов. Ёмкость и индуктивность элементов часто называют паразитными (нежелательными) параметрами.

Паразитная ёмкость обратно пропорциональна, а индуктивность прямо пропорциональна длине пути тока в проводниках и слоях элементов. Поскольку

54

длины проводников и толщины слоёв полупроводниковых элементов минимальны, для них более характерно влияние паразитной ёмкости.

Основным паразитным реактивным параметром МДП-транзистора является ёмкость между затвором и каналом Cзк, рис. 41,а.

Другими факторами инерционности, такими как время дрейфа носителей в канале и его индуктивность почти всегда можно пренебречь.

Сложность учета влияния Cзк состоит в том, что эта ёмкость носит распределённый характер. На каждый элемент длины канала l приходится элемент сопротивления канала Rк и элемент ёмкости затвор-канал Cзк. В результате эквивалентная схема, позволяющая выполнить анализ динамических свойств, имеет вид рис.41,б.

Анализ цепей с распределёнными параметрами осложняется тем, что в нём появляется ещё одна переменная – расстояние x. Поэтому находит применение более простая эквивалентная схема с сосредоточенными параметрами, рис. 42. Здесь ёмкость Cзк условно отнесена к двум

Рис. 42

сосредоточенным ёмкостям – между затвором и истоком Cзи и между затвором и стоком Cзс. Эти ёмкости, а также ёмкость между транзистором и окружающим его полупроводником Cп, стали основными параметрами, отражающими инерционные свойства МДП-транзистора [2, 4, 5].

55

Инерционные свойства БТ в значительной степени определяются ёмкостями его p-n переходов ЭП и КП. Учёт их влияния осложняется тем, что характер и величина ёмкости зависят от напряжений и токов переходов (см. разд. 5.2). Поэтому, наряду с величиной барьерной ёмкости ЭП и КП в отсутствие внешнего напряжения Cб0, к основным параметрам инерционности относят коэффициент влияния m из (29).

Ещё один фактор инерционности БТ - относительно медленное перемещение инжектированных в базу носителей от ЭП к КП. Его влияние учитывается временем пролёта области базы, или просто временем пролета τпр

[1].

8.2 Импульсные свойства МДП и биполярных транзисторов

Импульсные свойства характеризуют реакцию транзисторного ключа на подачу на вход управляющего напряжения в виде импульса, вызывающего отпирание или запирание транзистора.

На рис. 43 изображены схемы простейших ключей на МДП (а) и биполярном (б) транзисторах.

В обоих ключах управляющий сигнал в виде короткого импульса поступает на вход от источника э.д.с. eвх с внутренним сопротивлением Ri.

Временные диаграммы eвх изображены на рис. 44, а,б. Сток и коллектор транзисторов через сопротивление R подключены к источнику питания Eпит.

Выходным напряжением ключей являются напряжения uси и uкэ соответственно. Штриховой линией на схемах условно обозначены входная и выходная ёмкость транзисторов Cвх и Свых. Они являются сложными функциями напряжений, токов и паразитных параметров транзисторов, (см. разд. 8.1). Влияние факторов инерционности более точно учитывается методами компьютерного моделирования.

56

Хотя eвх изменяется скачкообразно, входное напряжение обоих ключей изменяется не мгновенно, так как требуется некоторое время на заряд входной ёмкости, рис. 44, в, г. Поэтому отпирание обоих транзисторов начинается с некоторой задержкой tз. В течение этого времени напряжения на затворе и базе достигают порогового напряжения U0 и примерного напряжения отпирания эмиттерного перехода U*. В течение времени нарастания tн завершается заряд Cвх, разряд Свых и другие переходные процессы.

Токи достигают предельных значений Iс.нас и Iк.нас, что характерно для режима насыщения, используемого в ключах, рис. 44 д,е.

Запирание транзисторов связано с разрядом Cвх и зарядом Свых. Кроме того, возвращение БТ в закрытое состояние сопровождается запаздыванием переходных процессов на время рассасывания tрасс. В течение этого времени БТ остаётся открытым из-за заряда неосновных носителей, накопившегося в базе в

57

режиме насыщения. Этот заряд исчезает, «рассасывается» не мгновенно и в течение некоторого времени поддерживает ток экстракции.

Результатом переходных процессов является появление времён t10 и t01, которые требуются ключам на переход из состояния логической 1 в состояние логического 0 и наоборот, рис. 44 ж,з. Более детально работа ключей рассматривается в курсе «Электроника» [1, 2].

8.3 Частотные свойства МДП и биполярных транзисторов

Частотные свойства характеризуют способность транзисторов обеспечивать усиление аналоговых сигналов на различных частотах. Такие сигналы, в отличие от цифровых (дискретных) сигналов, чаще отображаются функциями частоты, а не функциями времени. Частотные свойства транзисторов обычно описываются их амплитудно-частотными или фазо-

частотными характеристиками (АЧХ или ФЧХ).

В качестве простейших усилителей на МДП и биполярных транзисторах можно рассматривать схемы на рис. 43. Принципиальным отличием аналоговых усилителей от ключей является использование активного (усилительного) режима, а не режимов отсечки и насыщения. Такой режим в рассматриваемых схемах способен обеспечивать входной источник. Создаваемое им входное напряжение должно содержать постоянную (режимную) составляющую напряжения на затворе или базе, необходимую для поддержания открытого состояния транзистора.

Частотные свойства МДП транзисторов принято описывать частотной характеристикой комплексной крутизны S:

где S0 – крутизна при ω = 0, ωs – предельная частота крутизны.

Из (47) можно получить выражения для модуля и фазы комплексной

МДП транзистора изображены на рис. 46а.

58

Следует заметить, что ωs даёт преувеличенное представление о частотных возможностях МДП транзистора. На самом деле его коэффициенты усиления по напряжению и по мощности начинают снижаться на намного более низких частотах. Главной причиной этого является наличие неустранимой ёмкости затвор-канал, что легко устанавливается методами компьютерного моделирования.

Частотные свойства БТ обычно описываются комплексным коэффициентом передачи тока в схеме с общим эмиттером β:

где β0 – коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при ω = 0, ωβ – предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ.

Из (50) можно получить выражения для модуля и фазы комплексного коэффициента β, т.е. для АЧХ и ФЧХ:

АЧХ и ФЧХ БТ в схемах с ОЭ и ОБ изображены на рис. 46б.

Для схемы с ОЭ применяется также понятие граничная частота коэффициента передачи тока ωгр. На этой частоте |β| = 1, т.е. усилительные свойства по току полностью утрачиваются, хотя коэффициент передачи по мощности может быть больше 1 за счет усиления по напряжению.

59

Реже используется схема с общей базой, усиление которой значительно меньше. В то же время такое включение обеспечивает равномерное усиление и минимальный фазовый сдвиг в намного бóльшей полосе частот.

Более детально транзисторные усилители аналогового сигнала рассматриваются в курсе «Электроника» [1, 2].

9. IGBT ТРАНЗИСТОР

Большим достоинством МДП транзистора является способность сохранять открытое или закрытое состояние в отсутствие тока и мощности, потребляемых от источника управляющего сигнала. Напротив, БТ в открытом состоянии потребляет от источника сигнала ток базы Iб и, следовательно, некоторую мощность, иногда очень значительные.

Большим достоинством биполярного транзистора в ключевом режиме является на порядок меньшее падение напряжения на открытом и насыщенном транзисторе. Это означает, что тепловые потери в ключе на БТ значительно меньше, а максимальный допустимый ток значительно больше. Мощные ключи на БТ способны в открытом состоянии пропускать ток в сотни и даже тысячи ампер. Кроме того, они способны в закрытом состоянии выдерживать напряжение до нескольких тысяч вольт.

Указанными достоинствами одновременно обладает IGBT транзистор. Устройство IGBT транзистора поясняет рис. 47,а. Здесь же показано

Рис. 47

60