Литература / (тоже супер) физосновы для экз

310 Р А З Д Е Л 3

Часто в одну и ту же эквивалентную схему включали и указанный управляемый источник, и некоторые емкости (например барьерные емкости переходов).

При современном машинном анализе электронных схем используют универсальные математические модели транзисторов, правильно моделирующие самые различные режимы. В таких моделях используют управляемые источники с вещественными, а не комплексными коэффициентами β . При этом полное отражение частотных свойств транзистора достигается включением в его математическую модель дополнительных элементов, в частности диффузионных емкостей. Изложенное очень полезно осознать как пример того, насколько сильно развитие методов вычислений влияет на инженерные подходы при проектировании электронных схем.

Однако использование для представления коэффициента β комплексных чисел очень наглядно, так как позволяет оценить кроме амплитуды выходного сигнала его сдвиг по фазе по отношению к входному. Этот сдвиг возникает на высоких частотах. По-видимому, такое представление будет использоваться и в дальнейшем.

Кроме коэффициента β, в форме комплексных чисел

представляют и другие параметры транзистора (α, r′

к

и т. д.). Изобразим график зависимости модуля | β | от частоты f для транзистора КТ603А (рис. 3.63) и дадим более детальный типичный график зависимости модуля | β | от частоты (рис. 3.64).

Значение коэффициента β на постоянном токе βпт имеет нулевую мнимую часть,

поэтому βпт =| βпт |. На графиках fпред.ОЭ — предельная частота коэффициента пере-

дачи тока в схеме с общим эмиттером (частота среза), а fгран.ОЭ — граничная частота этого коэффициента (частота единичного усиления).

Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков транзисторов применяются следующие цифры:

• для транзисторов малой мощности (максимальная мощность, рассеиваемая транзистором, не более 0,3 Вт):

1 — с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой (далее граничной частотой) не более 3 МГц;

2 — с граничной частотой 3–30 МГц;

3 — с граничной частотой более 30 МГц;

•для транзисторов средней мощности (0,3–1,5 Вт): 4 — с граничной частотой не более 3 МГц; 5 — с граничной частотой 3–30 МГц; 6 — с граничной частотой более 30 МГц;

•для транзисторов большой мощности (более 1,5 Вт): 7 — с граничной частотой не более 3 МГц;

8 — с граничной частотой 3–30 МГц;

9 — с граничной частотой более 30 МГц.

Для обозначения порядкового номера разработки используют двузначное число от 01 до 99. Если порядковый номер разработки превышает число 99, то применяется трехзначное число от 101 до 999.

В качестве классификационной литеры применяются буквы русского алфавита (за исключением З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Ъ, Э).

Стандарт предусматривает также введение в обозначение ряда дополнительных знаков. В качестве дополнительных элементов обозначения используют следующие символы:

•цифры от 1 до 9 — для обозначения модернизаций транзистора, приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров;

•буква С — для обозначения наборов в общем корпусе (транзисторные сборки);

•цифра, написанная через дефис, для бескорпусных транзисторов:

1 — с гибкими выводами без кристаллодержателя;

2 — с гибкими выводами на кристаллодержателе;

3 — с жесткими выводами без кристаллодержателя;

4 — с жесткими выводами на кристаллодержателе;

5 — с контактными площадками без кристаллодержателя и без выводов;

6 — с контактными площадками на кристаллодержателе, но без выводов.

Примеры обозначения приборов:

КТ937А-2 — кремниевый биполярный, большой мощности, высокочастотный, номер разработки 37, группа А, бескорпусный, с гибкими выводами на кристаллодержателе.

Биполярные транзисторы, разработанные до 1964 г. и выпускаемые по настоящее время, имеют систему обозначений, включающую в себя два или три элемента.

Первый элемент обозначения — буква П, характеризующая класс биполярных транзисторов, или две буквы МП — для транзисторов в корпусе, герметизируемом способом холодной сварки.

Второй элемент — двухили трехзначное число, которое определяет порядковый номер разработки и указывает на подкласс транзистора по роду исходного полупроводникового материала, значениям допустимой рассеиваемой мощности и граничной частоты:

•от 1 до 99 — германиевые маломощные низкочастотные транзисторы;

•от 101 до 199 — кремниевые маломощные низкочастотные транзисторы;

•от 201 до 299 — германиевые мощные низкочастотные транзисторы;

•от 301 до 399 — кремниевые мощные низкочастотные транзисторы;

•от 401 до 499 — германиевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы;

•от 501 до 599 — кремниевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы;

•от 601 до 699 — германиевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы;

•от 701 до 799 — кремниевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы.

Третий элемент обозначения (у некоторых типов он

может отсутствовать) — буква, условно определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ

Задача 3.17. Определение тока через базу p-n- p-транзистора. Объясните механизм протекания тока через базу p-n-p-транзистора, работающего в условиях нормального смещения. Для иллюстрации постройте зонную диаграмму. Пусть транзистор имеет следующие параметры: эффективность эмиттера 99%, коэффициент переноса 99,5%, коэффициент ударной ионизации 100%. Вычислите ток коллектора, если ток базы равен 20 мкА, а ток утечки «коллектор — база» при разомкнутой цепи эмиттера составляет 1 мкА.

Р е ш е н и е. Как в p-n-p-, так и в n-p-n- транзисторах при нормальном смещении переход «эмиттер — база» смещен в прямом направлении, а переход «коллектор — база» — в обратном направлении.

Однако в p-n-p-транзисторе электропроводность эмиттера p-типа обычно выше, чем электропроводность базы n-типа, и на обоих переходах

преобладает дырочный ток. Таким образом, ток в p-n-p-транзисторе обусловлен главным образом дырками.

На рисунке 3.65 показаны распределения напряжения V и энергии ε в p-n-p-переходе при нулевом смещении. Толщина обедненного слоя в p-области меньше, чем в n-области, уровень Ферми εF не изменяется во всех трех областях и результирующий ток равен нулю.

а

Рис. 3.65

Профиль транзистора (а), распределение напряжения (б) и энергии зон по его длине (в)

На рисунке 3.66 приведены распределения напряжения V и энергии ε при нормальном рабочем смещении. Видно, что толщины обедненных слоев, а следовательно, и распределения напряжения

иэнергии изменяются.

Уграницы левого p-n-перехода устанавливается избыточная концентрация дырок, в результате чего происходит их инжекция с границы обедненного слоя «эмиттер — база». Инжектированные дырки диффундируют через область базы, в которой незначительное их число рекомбинирует с электронами. Следовательно, существует поток электронов в базовую область (из внешней цепи), непрерывно восстанавливающий число электронов, теряемых при рекомбинации. Остальные дырки, не участвующие в рекомбинации, поступают на коллектор.

Транзисторный эффект имеет место в том случае, если толщина базы между переходами меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда (дырок) в базе. Таким образом, дырки, инжек-

а

б

в

Рис. 3.66

Профиль транзистора (а), распределение напряжения (б) и энергии (в) при нормальном смещении

тированные в область базы, диффундируют непосредственно к коллектору.

Поскольку типичные значения Lp и W равны 10–4 и 10–5 м, то рекомбинация незначительна.

Коэффициент усиления по постоянному току α транзистора в схеме с общей базой зависит главным образом от трех факторов:

1)эффективности эмиттера γ;

2)коэффициента переноса β;

3)коэффициента ударной ионизации М. Можно записать

Подставляя числовые данные в это выражение, получаем

α = 0,99 0,995 = 0,985.

Из рисунка 3.66 видно, что ток коллектора определяется выражением

где Iкбо — ток утечки (ток коллектора, когда на базу подано обратное смещение относительно коллектора, а эмиттерная цепь разомкнута).

Ток эмиттера равен

Iэ = Iб + Iк.

Подставим это равенство в выражение (3.17.3):

Iк = α(Iб + Iк) + Iкбо

или

Iк(1 – α) = αIб + Iкбо.

Отсюда

Iк = 1 −αα Iб + 1 −1α Iкбо =

Задача 3.18. Электронная и дырочная компоненты тока. Начертите схему, показывающую разделение токов на электронную и дырочную компоненты, и укажите направление этих компонент в различных областях p-n-p-транзистора, работающего в условиях нормального смещения. Исходя из диаграммы, покажите, что ток базы Iб = Iэ(1 – α) – Iкбо, где β — произведение трех величин: эффективности эмиттера γ, коэффициента переноса β и коэффициента ударной ионизации М.

Пусть в транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, ток утечки Iкбо = 100 нА, для получения общего тока коллектора 1 мА ток базы

должен быть равен 10 мкА. Вычислите коэффициент усиления по постоянному току для этого транзистора и ток утечки Iкэо.

Р е ш е н и е. На рисунке 3.67 схематически показано распределение токов на электронную и дырочную компоненты и их направление в различных областях p-n-p-транзистора при нормальном смещении: эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Рис. 3.67

Распределение токов на электронную и дырочную компоненты и их направление в различных областях p-n-p-транзистора при нормальном смещении

Наглядно показаны величина и направление этих компонент.

Токи γ(1 – β)Iэ и βγIэ + Iкбо являются дырочными компонентами, а (1 – γ)Iэ и Iкбо — электронными компонентами.

Если Iэ — ток эмиттера, тогда ток, достигающий перехода «эмиттер — база», равен γIэ (напомним, что γ — эффективность эмиттера). Следовательно, электронная компонента равна (1 – γ)Iэ. Дырочная компонента тока, достигающего перехода «база — коллектор», равна γβIэ, где β — коэффициент переноса. Поэтому дырочный ток в базе, обусловленный рекомбинацией носителей, равен γ (1 – β) Iэ.

Учитывая ток Iкбо, обусловленный тепловой генерацией, ток коллектора можно записать в виде

Iк = β γ Iэ + Iкбо

или

Iк = αIэ + Iкбо,

где α = βγ (в предположении, что коэффициент ударной ионизации М = 1). Таким образом, в p-n-p- транзисторе ток обусловлен в основном дырками. Полный ток базы

Iб = Iэ(1 – γ) + (1 – β)γIэ – Iкбо =

(3.18.1)

= Iэ(1 – α) – Iкбо.

Преобразуя это выражение, получаем, что ток эмиттера

Подставив в (3.18.2) числовые данные, находим

α = 0,99,

Iкэо = 100 100 10 –9 = 10 мкА.

Задача 3.19. Распределение избыточной концентрации в базе и вычисление тока эмиттера и дифференциального сопротивления. Рассмотрите p-n-p-транзистор, в котором площадь как коллекторного, так и эмиттерного переходов равна 1 10–6 м2, а коэффициент диффузии дырок в базе Dp = 5 10–3 м2/с. При Vкб = 1,0 В распределение кон-