5.3. Формулы Молла – Эберса

Формулы Молла – Эберса являются универсальными соотношениями, которые описывают характеристики биполярных транзисторов во всех режимах работы [28, 5, 19].

Для такого рассмотрения представим БТ в виде эквивалентной схемы, приведенной на рисунке 5.8.

Рис. 5.8. Эквивалентная схема биполярных транзисторов во всех режимах работы

При нормальном включении через эмиттерный p‑nпереход течет токI₁, через коллекторный переход течет токα_NI₁– меньший, чемI₁, вследствие рекомбинации части инжектированных носителей в базе. На рисунке 5.8 этот процесс изображен как генератор токаα_NI₁, гдеα_N– коэффициент передачи эмиттерного тока. При инверсном включении транзистора прямому коллекторному токуI₂ будет соответствовать эмиттерный токα_II₂, гдеα_I– коэффициент инверсии. Таким образом, токи эмиттераJ_эи коллектораJ_кв общем случае состоят из инжектируемого (I₁илиI₂) и экстрагируемого (α_NI₁ илиα_II₂) токов:

(5.1)

Величины токов I₁иI₂выражаются дляp‑nпереходов стандартным способом:

(5.2)

где I_э0' иI_к0'– тепловые (обратные) токиp‑nпереходов. Отметим, что токиI_э0' иI_к0'отличаются от обратных токов эмиттераI_э0 и коллектора биполярного транзистора.

Оборвем цепь эмиттера (J_э = 0) и подадим на коллекторный переход большое запирающее напряжениеU_к. Ток, протекающий в цепи коллектора при этих условиях, будем называть тепловым током коллектораI_к0. ПосколькуI_э = 0, из (5.1) следует, чтоI₁ = α_II₂, а из (5.2)I₂ = - I_к', посколькуU >>kT/q.

Полагая I_к = I_к0, получаем в этом случае:

,

. (5.3)

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

. (5.4)

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

Подставляя (5.2) в (5.1), получаем:

,

, (5.5)

,

где J_б– ток базы, равный разности токов эмиттераI_эи коллектораI_к.

Формулы (5.5) получили название формул Молла – Эберса и полезны для анализа статических характеристик биполярного транзистора при любых сочетаниях знаков токов и напряжений.

При измерении теплового тока коллектора I_к0дырки 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.

5.4. Вольт‑амперные характеристики биполярного транзистора в активном режиме

Рассмотрим случай, когда на эмиттерный переход биполярного транзистора подано прямое, а на коллекторный – обратное смещение. Для p‑n‑pбиполярного транзистора этоU_э> 0,U_к< 0.

Для нахождения ВАХ в качестве входных параметров выбирают J_э,U_к, а выходных –J_к,U_эиз соображений удобства измерения. Выразим в (5.5), подставим в выражение дляJ_ки получим:

.

Следовательно,

. (5.6)

Соотношение (5.6) описывает семейство коллекторных характеристик I_к = f(U_к) с параметромI_э.

Семейство эмиттерных характеристик U_э = f(I_э) с параметромU_кполучим из (5.5). Учитывая, что, получаем:

;

. (5.7)

Формулы (5.6) и (5.7) описывают характеристики транзистора, представленные на рисунке 5.9.

Рис. 5.9. Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме: семейство коллекторных кривых

Для активного режима, когда U_э> 0,U_к< 0,|U_к|<< 0, выражения (5.6) и (5.7) переходят в выражения:

. (5.8)