Э бк кк кк э бк

ПТ

И З С П БК

_{n+ p n+ ð+}

_{n p} Э К n

МДПТ

П И З С И З С П(+U_ИП)

n+ p n+ n p+ p+

Электрические характеристики транзисторов. На примере npn- ИБТ.

Б I_K I_К = ß_NI_Б _N=f(A_Э)

I_Б I_Э I_Б I_Э пов.рекомб. оттесн. Э-тока

модуляция r_б



I_Э=I_Э0exp(U_БЭ/_T), U_БЭ=_Tln(I_Э/I_Э0),

I_Б=I_Б0exp(U_БЭ/n_Т),  уравнения Эберса -Молла I_Э

I_К=-I_Э=I_К0exp(U_БЭ/_T), I_К = _NI_Б, I_К=_NI_Э _N  1, _N_N  f.

M, , m=2-4

Для понимания работы ряда схем нужно рассматривать транзистор, как прибор с передаточной проводимостью (I_K=f(U_БЭ)), т.е. зависимостью выходного тока от входного напряжения.

Определение проводимостей транзистора (иногда определяются как крутизна):

входная динамическая проводимость g_ЭБ = dI_Э/dU_ЭБ  I_Э/_T = g_m ;

передаточная динамическая проводимость g_m = dI_K/dU_БЭ = -I_K/_T = g_m ;

входная динамическая базовая проводимость g_БЭ = dI_Б/dU_БЭ = I_Б/n_T =

= I_K/_T= g_m/;

выходная динамическая проводимость g_КЭ = dI_К/dU_КЭ =

= (dI_К/dI_К0)(dI_К0/dW_Б^*)(dW_Б^*/dU_КБ)(dU_КБ/dU_КЭ) 

 [exp(U_БЭ/_T)](-I_К0/W_Б^*) (dW_Б^*/dU_КБ)1.

Введем параметр «напряжение Эрли» U_A или коэффициент модуляции ширины базы:

1/U_A = -(1/W_Б^*)(dW_Б^*/dU_КБ), величина U_A = 100 - 300 В. I_K

Теперь выходная проводимость

g_КЭ = [I_K0exp(U_БЭ/_T)]/U_A = I_K/U_A. 

-U_A

U_КЭ

Величина тока коллектора сильно зависит от U_БЭ и почти не зависит от U_K, слабая зависимость I_K=f(U_K) проявляется через эффект Эрли (модуляции ширины базы), можно записать:

I_К0 = f(W_Б^*), W_Б^* = (W_{бметаллург.pn} - W_{ОПЗ в Б обл.}), I_К0 = 1/W_Б^*;

динамическая проводимость коллектора g_K = f(g_КЭ) = I_К/U_K.

Обратная величина проводимости – сопротивление, поэтому используют соответствующие определения динамических сопротивлений (примеры для схемы с ОЭ):

входное динамическое базовое сопротивление r_вх = 1/g_БЭ=/g_m;

выходное динамическое сопротивление r_КЭ = 1/g_КЭ = U_А/I_К,

величина r_КЭ  200 кОм;

входной импеданс для малого сигнала r_Э = 1/g_m =_T/I_K =

=25/1mA при комнатной температуре.

Это собственное сопротивление эмиттера, всегда включенное последовательно в Э-цепи не позволяет выходному сопротивлению транзистора в схеме ЭП стать равным нулю, а коэффициенту усиления в той же схеме - превысить единицу.

Расчет проводимостей транзистора можно вести при помощи следующей схемы:

U_K I_K

I_Б =g_mU_БЭ/_N g_mU_БЭ Найдем g_K=I_K/U_K:

g_КЭ

U_БЭ

Z_Б Z_Э I_Э=-(I_Б+I_К)

В идеальном транзисторе g_КЭ = 0, I_К = g_mU_КЭ .

В реальном транзисторе по правилам Кирхгофа:

I_K = g_mU_БЭ + g_КЭU_K_UKUКЭ; (х)

U_БЭ = U_Б - U_Э, так как U_Б = - I_Б Z_Б , U_Э = -I_ЭZ_Э = (I_Б +I_К)Z_Э, то

U_БЭ = -I_БZ_Б - (I_Б + I_К)Z_Э = -I_КZ_Э - I_Б(Z_Б+Z_Э) = -I_KZ_Э - (g_mU_БЭ/_N)(Z_Б+Z_Э).

Решаем последнее уравнение относительно U_БЭ:

U_БЭ = -I_КZ_Э/[1+ (g_m/_N)(Z_Б+Z_Э)],

подставим это выражение в (х):

, приведем подобные:

.

Теперь можно найти величину динамической проводимости коллектора как функцию выходной динамической проводимости коллектора:

Подставим определения проводимостей через температурный потенциал и напряжение Эрли:

.

При Z_Э=0 получим результат g_K = I_K/U_A = g_КЭ и не зависит от Z_Б.

При Z_Э  0 и (I_K/_T)Z_Э>>_N проводимость коллектора будет ограничена величиной

g_K  I_K/(_NU_A)  50 нСм,

r_K  _NU_A/I_K  20 МОм .

Выходная и передаточная проводимости транзистора пропорциональны току коллектора, поэтому их отношение есть некоторая константа:

g_m/g_КЭ =(I_K/_T)/(I_K/U_A)=U_A/_T _{при UA=200 В} =8000 f(I_K).

Таким образом, ток коллектора зависит сильно от входного напряжения, а от выходного почти не зависит, поэтому можно получать очень большие коэффициенты усиления даже на одном транзисторном каскаде, особенно при использовании активных нагрузок.

Используя понятия проводимостей или сопротивлений транзистора, можно построить эквивалентную схему ИБТ. Любая проводимость может быть представлена как

, где i,j - Э, Б, К, П.

Для схемы включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), где эмиттер - общий электрод для входного и выходного сигнала, получим эквивалентную схему:

Б Б^’ С_К K^’ r_K K R_нагр К U_КЭ

r_Б r_БЭ С_БЭ r_КЭ g_mU_БЭ С_КП U_КЭ Б

U_БЭ

U_БЭ Э

Э

Генератор тока коллектора I_K= g_mU_БЭ в терминах крутизны записывается как SU_БЭ,

где S = g_m = - dI_K/dU_БЭ  I_Э/_T.

Сопротивления r_Б и r_K – это омические сопротивления тела базы и коллектора соответственно.

Сопротивление динамическое r_вхБЭ =n_T /I_Б _N_T I_Э_N  S = _N /g_m. g_m = _N/r_вхБЭ.

Сопротивление входной цепи r_вх =r_Б+r_вхБЭ.

Сопротивление динамическое r_КЭ = 1/g_КЭ = U_A /I_K = f(W_Б^*).

В выходной цепи на нагрузочном сопротивлении формируется падение напряжения U_вых = I_K(R_н+r_K)  -g_mU_БЭR_н при малых величинах сопротивления тела коллектора.

Коэффициент усиления на средних частотах A_U=U_вых/U_вх= -g_mR_н = -_NR_н/r_вхБЭ.

A_U = I_KR_н/U_БЭ.

Емкости С_К и С_КП - это распределенные барьерные емкости pn- переходов Б-К и К-П.

Емкость С_Э - это суммарная диффузионная и барьерная емкости перехода Э-Б.

С_Э =С_БЭ ₀

С_эбар +С_эдиф r_Б(С_К+С_Э) +r_К(С_К+С_П)

I_Э I_Э

Все параметры эквивалентной схемы должны отражать распределенный характер интегральной структуры, чаще всего используют полуэмпирические коэффициенты, позволяющие уточнить значения сопротивлений и емкостей, а, значит, и токов и потенциалов в транзисторной структуре. Такие полуэмпирические коэффициенты, а также могут зависеть от рабочей точки транзистора.



I_Э тогда, например, С_Э^*=С_Э/(1+).

Здесь см. раздаточный материал по модели Джиаколетто.

Частотная зависимость параметров транзистора.

Частотная зависимость коэффициента передачи тока _N и усиления тока _N в транзисторе, включенном с схеме с ОБ, аппроксимируется функцией однополюсника:

, log, log

где_ = 2f_ - называется частота среза , 6 дб/октаву

_-3дБ. Здесь параметр уменьшается

 в1.4 раза.



_T/ _T()_-3дБ log

Частотная зависимость показана на графике на основании известного соотношения

, а поскольку в ступенчатой транзисторной структуре существует фазовый сдвиг, то его учитывают эмпирическим фазовым множителем

где m  0.4.

Ширина пропускания транзистора - частота _Т, при которой коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ становится равным единице (_N=1). Можно показать, что

_Т = _/(1+m_N)  _/(1+0.4) ,а

_ = _Т/_N - частота, при которой начинает снижаться коэффициент усиления.

Величина _Т измеряется на базовой клемме при наличии источника сигнала на входе и заземленном по переменному току коллекторе. При этом по эквивалентной схеме получаем

_Т = 1/ = _N/[r_K(C_БЭ+C_K)]  g_КЭ/(C_БЭ+C_K).

При помощи полученного выражения можно определить величину емкости С_БЭ , если известна величина _Т на определенном токе I_Э :

. f_T Мгц

100 оттеснение Э-тока

10 r_Б

С_барБЭ I_K мА

Малосигнальная частотная харак- 1

теристика транзистора показывает 0,001 0,01 0,1 1,0 10

снижение частоты на малых токах из-за

барьерной емкости перехода Б-Э, а на больших токах - спад обусловлен, прежде всего, эффектом оттеснения эмиттерного тока и модуляцией проводимости базовой области.

Максимальная частота генерации - определяется, когда усиление по мощности транзистора падает до единицы:

,

обычно f_T  400 МГц (_Т  2500МГц), а f_max  900 МГц.

Покажем малосигнальные эквивалентные схемы транзисторов для других включений.

ИБТ. ОБ. Э К R_нагр

U_ЭБ С_БЭ r_ЭБ g_mU_ЭБ r_КБ С_КБ U_КБ

Б

Некоторые соотношения для параметров схемы:

.

Коэффициент усиления напряжения на средних частотах:

A_U = U_вых/U_вх = - _NR_нагр/r_вх = g_mR_нагр.

ИБТ.ОК. Б С_БЭ Э

(эмиттерный

повторитель) С_КБ r_вх g_mU_БК r_вых U_КЭ R_нагр

К