§5.4 Работа транзистора в различных режимах
На каждый p-n переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Прямым считается такое напряжение на переходе, при котором происходит инжекция носителей в переходе ( “+” - на р-области, “-” - на n-области). Соответственно различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки - на оба перехода поданы обратные напряжения; режим насыщения - на оба перехода поданы прямые напряжения; нормальный активный режим - на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный - обратное; инверсный активный режим - на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный - прямое.
В режиме отсечки через оба перехода проходят незначительные обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению. Это позволяет в первом приближении считать, что между всеми выводами транзистора будет обрыв, а токи в его внешних цепях равны нулю.
В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток, что эквивалентно малому сопротивлению. Поэтому можно считать, что в этом режиме между всеми выводами транзистора будет короткое замыкание. Как говорят, транзистор "стягивается в точку", а токи, проходящие через него, будут определяться только сопротивлениями элементов, включенных во внешние цепи транзистора.
Более сложная картина наблюдается при работе транзистора в активном режиме. В этом случае источник питания EБЭ подключен к эмиттерному переходу в прямом направлении ("минус" на эмиттере), и через эмиттерный переход проходит достаточно большой прямой ток (рис. 2.) .
Рис. 2. Процессы в биполярном транзисторе в
нормальном активном режиме работы.
При этом из эмиттера в базу инжектируются электроны, а из базы в эмиттер - дырки. Однако в связи с тем, что эмиттер легирован значительно сильнее базы, поток электронов будет намного больше потока дырок и именно он определяет основные процессы, происходящие в транзисторе. Из-за разности концентраций (в бездрейфовых транзисторах) и разности концентраций и наличия внутреннего электрического поля (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся к коллектору, стремясь равномерно распределиться по всему объему базы. Так как толщина базы мала, большинство электронов не успевает рекомбинировать в ней и почти все они достигают коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают под действие электрического поля этого обратносмещенного перехода (источник питания EБК подключен минусом к базе). А так как они являются в базе неосновными носителями, то происходит переброс электронов через коллекторный переход в область коллектора ( их экстракция ). В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора. Дрейф электронов через коллекторный переход снижает их концентрацию в той части области базы, которая расположена непосредственно около коллекторного перехода, что создает направленную диффузию инжектируемого эмиттером потока электронов. Все это приводит к тому, что большинство электронов, инжектированных эмиттером в базу, попадает в область коллектора, но все-таки небольшая часть их успевает рекомбинировать в области базы. Поэтому коллекторный ток IК всегда оказывается меньше эмиттерного IЭ, а рекомбинация электронов вызывает соответствующий ток во внешней цепи - ток базы IБ.
При количественном анализе процессов, происходящих в биполярном транзисторе, работающем в активном режиме, прежде всего вводят коэффициент передачи эмиттерного тока N, под которым понимают отошение коллекторного тока к эмиттерному
N = IК /IЭ. (1)
Выражение для полного тока коллектора, который является суммой токов инжектированных эмиттером и обратного тока коллектора, имеет вид
IК = NIЭ - IК0 [ exp (UК /т) - 1]. (2)
На практике вместо (2) часто пользуются более простым, приближенным выражением. Учитывая, что для биполярных транзисторов рабочим является участок, где (UК /т)>> 1, обратный ток коллекторного перехода практически постоянен и равен IК0, а (2) записывают так
IК = N IЭ + IК0 (3)
Между всеми токами биполярного транзистора существует очевидное соотношение
IЭ = IК + IБ (4)
и если при расчете коллекторного тока за "начало отсчета" взять не ток эмиттера, а ток базы, то из (3) и (4) нетрудно получить, что полный ток коллектора
IК = [N /(1 - N)] IБ + [1 /(1 - aN)] IК0 =NIБ + (N + 1) IК0 = bNIБ +IК0, (5)
где
N = N /(1 - aN) ~ IК /IБ (6)
называют коэффициентом передачи базового тока, или коэффициентом усиления.
Коэффициенты N и N являются важнейшими физическими параметрами биполярного транзистора, причем N ~ 1, a N >> 1. Так, для современных транзисторов N = 0.9 - 0.995, a N = 10 - 1000.
Hаиболее полно свойства биполярного транзистора описываются его вольт-амперными характеристиками (ВАХ). Однако, прежде чем рассматривать их, необходимо заметить следующее. Во-первых, биполярный транзистор - "токовый" прибор, так как основные процессы, протекающие в таком транзисторе, определяются его входным током. Поэтому кроме выходных ВАХ для него важны также и входные ВАХ. А в связи с тем, что входные и выходные токи и напряжения транзистора достаточно сильно связаны друг с другом, для полной характеристики транзистора нужно иметь не отдельные характеристики, а семейства ВАХ : входных и выходных. Конечно, при любой схеме включения физические процессы в транзисторе не меняются, но существенно изменяются входные и выходные величины, что и приводит к соответствующим изменениям в семействах ВАХ транзистора.
Различают три схемы включения биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).
В схеме с ОБ (рис.3 ,a) входным током транзистора является ток эмиттера, входным напряжением - напряжение между эмиттером и базой, а входными ВАХ - семейство Iэ (Uэб) при Uкб = const (рис. 2, б). (Выбор напряжения Uкб в качестве параметра этого семейства ВАХ связан с тем, что в активном режиме на коллекторный переход подается обратное напряжение, а в этом случае, при большом изменении напряжения, ток через переход меняется очень мало). Фактически это будут характеристики эмиттерного перехода, учитывающие влияние второго перехода транзистора - коллекторного. Характеристика с параметром Uкб = 0 будет обычной характеристикой p-n перехода - такой же, как и в диоде (большой прямой ток Iэ при Uэб > 0, который сильно зависит от Uэб, и малый обратный, почти не изменяющийся ток при Uэб < 0). Взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов связано с тем, что изменение Uкб приводит к изменению ширины коллекторного перехода, а значит, и ширины базы, за счет чего меняется величина тока Iэ. При Uкб > 0 ширина базы увеличивается, ток Iэ уменьшается, а кривые Iэ (Uэб) сдвигаются вправо; при Uкб < 0 эти кривые сдвигаются влево. Hо все входные ВАХ располагаются очень близко друг к другу, что говорит о слабом влиянии коллектора на процессы, протекающие во входной цепи транзистора. Кроме того, входные ВАХ биполярного транзистора обладают существенной нелинейностью, что приводит к значительным искажением сигналов во входной цепи транзистора (рис. 3, б).
Выходным напряжением транзистора в схеме с ОБ является напряжение между коллектором и базой, выходным током - ток коллектора, а выходными ВАХ - семейство Iк (Uкб) при Iэ = const. (рис. 3, в). (Здесь в качестве параметра семейства выходных ВАХ уже выбирают ток, так как при прямом напряжении на эмиттерном переходе при большом изменении тока напряжение меняется мало). Выходные BAX будут характеристиками коллекторного p-n перехода, но такого перехода в базу которого извне инжектируются свободные носители зарядов. Характеристика этого семейства для Iэ = 0 снова будет обычной BAX p-n перехода. При Uкб < 0 выходным током транзистора будет обратный ток коллекторного перехода, который, как это неоднократно отмечалось, будет определяться собственной электропроводностью полупроводникового кристалла и мало зависит от напряжения на переходе. Поэтому в области Uкб < 0 характеристика Iк (Uкб) при Iэ = 0 идет почти параллельно оси абсцисс. При Uкб > 0 выходным током транзистора является прямой ток коллекторного перехода, величина которого определяется практически только напряжением Uкб, а ток Iк резко меняется при изменении выходного напряжения. При Iэ > 0 и Uкб < 0 на величину выходного тока транзистора основное влияние оказывает ток, обусловленный инжекцией электронов через эмиттерный переход и его изменения приводят к пропорциональному изменению тока коллектора. Поэтому семейство BAX транзистора в схеме с ОБ, при Iэ > 0 и небольших отрицательных напряжениях на коллекторе представляет собой ряд прямых, идущих почти параллельно оси абсцисс. В области больших отрицательных значений Uкб выходные ВАХ начинают заметно изгибаться, так как напряжение на коллекторном переходе приближается к напряжению пробоя (рис. 3, в).
Рабочая область семейства выходных ВАХ биполярного транзистора на рис. 3,в расположена в третьем квандранте, что неудобно. Поэтому в транзисторной электронике за положительное направление выходного тока транзистора принимают направление обратного тока коллекторного перехода, так же, как ось - Uкб совмещают с положительным направлением оси абсцисс. Тогда выходные ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ принимает вид, показанный на рис.3, г.
В схеме с ОЭ (рис.4, а) входными ВАХ транзистора является семейство зависимостей тока базы (Iб) и коллектора (Iк) от напряжения между базой и эмиттером (Uбэ) при Uкэ - const (рис. 4, б).
Выходным током транзистора в схеме с ОЭ будет ток коллектора, выходным напряжением - напряжение между коллектором и эмиттером, а выходными ВАХ - семейство Iк (Uкэ) при Iб - const. В зависимости от соотношений между Uкэ и Uбэ режим транзистора меняется. При Uкэ < Uбэ и одинаковой полярности напряжений ("плюс" на базе и на коллекторе) транзистор находится в режиме насыщения, так как и на эмиттерном, и на коллекторном переходах будет прямое напряжение. При увеличении Uкэ напряжение на коллекторном переходе сначала станет равным нулю, а затем (при Uкэ > Uбэ) окажется обратным. При этом транзистор переходит в активный режим. В активном режиме выходной ток транзистора в основном определяется током, обусловленным инжекцией электронов из эмиттера, а на семействе выходных ВАХ будут наблюдаться пологие участки (рис.4, в). Эти участки семейства выходных ВАХ транзистора в схеме с ОЭ имеют гораздо больший и неодинаковый наклон по сравнению со схемой с ОБ. Наклон характеристик вызван тем, что при увеличении по модулю обратного напряжения Uкэ увеличивается толщина обедненного слоя перехода база-коллектор, уменьшается толщина слоя базы и, соответственно возрастает коэффициент передачи тока базы.
Схемотехнические модели биполярного транзистора.
Для анализа электронных схем с помощью специальных программ схемотехнического анализа (например, SPICE), необходимо иметь модель каждого элемента схема с соответствующими параметрами. Для биполярного транзистора такими моделям являются модели Эберса-Молла (рис. 5, а) и, используемая в программе SPICE, зарядоуправляемая модель Гуммеля-Пуна (рис. 5, б).
Рис. 5 . Схемотехнические модели биполярного транзистора: Эберса-Молла (а) и Гуммеля-Пуна (б).
Модель Эберса-Молла
Простая и удобная для простых расчетов физическая модель биполярного транзистора предложена Дж.Дж.Эберсом и Дж.Л.Моллом более 40 лет назад (в 1954 г). Для п-р-п транзистора она имеет вид, показанный на рис. 5, а.
В модели Эберса-Молла p-п переходы транзистора представлены диодами, а их взаимодействие отражается управляемыми источниками тока. При нормальном включении транзистора (N) с помощью источника тока anI1 учитывается влияние тока I1, проходящего через эмитерный переход, на цепь коллектора. При инверсном включении (I) влияние тока I2, проходящего через kоллекторный переход, на цепь эмиттера учитывается с помощью источника тока II2. Диоды описываются ВАХ идеального р-п перехода
I1 = Iэ0' [exp (Uэ / т) - 1], (7)
I2 = Iк0' [exp (Uк / т) - 1], (8)
Iк0' = Iк0 / (1 - N I), (9)
Iэ0' = Iэ0 / (1 - N I). (10)
Так как Iэ = I1 - I I2, (11)
Iк = N I1 - I2, (12)
то в модели Эберса-Молла выражения для эмиттерного и коллекторного токов транзистора имеют вид:
Iэ = [ Iэ0 (exp (Uэ / т) - 1)- I Iк0 (exp (Uк / т) - 1)] /(1 - N I), (13)
Iк = [ Iк0 (exp (Uк / т) - 1)- N Iэ0 (exp (Uэ / т) - 1)] /(1 - N I) (14)
Iб = Iэ - Iк (15)
Последние выражения представляют собой соответственно уравнения семейства выходных и входных ВАХ биполярного транзистора. Их называют формулами Эберса-Молла и они с достаточной степенью точности отражают основные процессы в биполярном транзисторе. Однако уравнения ( 13), (14) описывают лишь идеализированные ВАХ транзистора, так как в модели не учитывается ряд факторов, имеющих место в реальных транзисторах. К числу таковых относятся, например, внутренняя обратная связь, пробой р-п перехода, зависимость от тока.
Модель Эберса-Молла справедлива для всех четырех областей работы транзистора: отсечки, насыщения, активной (нормальной и инверсной). При моделировании работы транзистора только в одной области эквивалентные схемы транзистора значительно упрощаются. Для области насыщения тpанзистоp в пеpвом пpиближении можно заменить коpотким замыканием, а для области отсечки - pазpывом.