5.14. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Полученные в предыдущих разделах соотношения описывают взаимосвязь входных и выходных параметров биполярного транзистора в аналитической форме. Существует и другая форма представления этой взаимосвязи в виде эквивалентных схем, когда реальные процессы в нелинейных устройствах можно заменить на набор активных (источники тока и напряжения) и пассивных (резисторы, емкости) элементов, адекватно описывающих взаимосвязь входных и выходных параметров. На основе рассмотренных характеристик представим эквивалентную схему транзистора при включении по схеме с общей базой в следующем виде. Основные пассивные элементы (сопротивления r_э,r_к,r_б, емкости коллекторногоС_Би эмиттерногоС_Дпереходов), активные элементы (генератор токаI_эв коллекторной цепи, источник ЭДС_экU_кв эмиттерной цепи, отражающей обратную связь между эмиттером и коллектором) изображены на эквивалентной схеме (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общей базой

Приведенная эквивалентная схема справедлива для рассмотрения статических характеристик биполярного транзистора, а также для рассмотрения этих характеристик в области низких частот. Эта схема называется Т-образной эквивалентной схемой, отражает основные физические процессы, происходящие в транзисторе, и удобна для их анализа (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Основные параметры эквивалентной схемы транзистора выражаются через конструктивно-технологические параметры следующим образом:

;

.

Величины коэффициентов ,r_э,r_к,_экдля биполярного транзистора лежат в пределах:

 = 0,95÷0,995,r_э = 1÷10 Ом,r_к = 10÷10⁶Ом,_эк = 10^-3÷10^-5.

Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером эквивалентная схема выглядит аналогично.

Основные параметры эквивалентной схемы имеют тот же вид, что и в схеме с общей базой, кроме С_к^*иr_к^*, равных:С_к^* = С_к( + 1), r_к^* = r_к( + 1).

5.15. Составные транзисторы. Схема Дарлингтона

Создание мощного высоковольтного транзистора, предназначенного для работы в режиме переключения и характеризующегося переходом из закрытого состояния с высоким обратным напряжением в открытое состояние с большим током коллектора, т.е. с высоким коэффициентом , имеет схемотехническое решение.

Как отмечалось в разделе 5.14, значение коэффициента характеризует качество биполярного транзистора, поскольку чем больше коэффициент, тем эффективнее работает транзистор. Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттеромопределяется следующим соотношением:. Для увеличения значения коэффициентанужно либо уменьшить ширину базы биполярного транзистораW, либо увеличить диффузионную длинуL_p. Так как диффузионная длина, то нужно увеличить либо подвижность носителей, либо время жизни_p.Это достаточно трудно, так как необходимо использовать материалы с высокой подвижностью для электронов (например,GaAs,InP), причем только в транзисторахn‑p‑n.

Между тем имеется схемотехническое решение, когда определенным образом соединенные два биполярных транзистора имеют характеристики как для одного транзистора с высоким коэффициентом передачи эмиттерного тока. Такая комбинация получила название составного транзистора, или схемы Дарлингтона (рис. 5.19). В составном транзисторе база первого транзистораТ₁соединена с эмиттером второго транзистораТ₂dI_э1 = dI_б2. Коллекторы обоих транзисторов соединены, и этот вывод является коллектором составного транзистора. База первого транзистора играет роль базы составного транзистораdI_б = dI_б1, а эмиттер второго транзистора – роль эмиттера составного транзистораdI_э2 = dI_э.

Рис. 5.19. Схема составного транзистора

Получим выражение для коэффициента усиления по току для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базыdI_би вызванным вследствие этого изменением тока коллектораdI_ксоставного транзистора следующим образом:

;



;

;

.

Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно не составляет несколько десятков (β₁, β₂ >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов  ₁₂и может быть достаточно большим по величине.

Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток первого транзистора I_э1является базовым током второго транзистораdI_б2, то, следовательно, транзисторТ₁должен работать в микромощном режиме, а транзисторТ₂в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторовТ₁иТ₂не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления_ _ ~ 30 суммарный коэффициент усилениясоставит ~ 1000.

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов Т₁иТ₂.