69

3. Биполярные транзисторы (BT)

1. Устройство и принцип действия БТ

1.1. Устройство транзистора

Всегда

; (1.1.1)

. (1.1.2)

Обычно

(нет симметрии).

1.2. Принцип действия

Нормальный режим: , .

Через открытый эмиттерный переход электроны инжектируются из эмиттера в базу , дырки — из базы в эмиттер .

Из условия (2): .

Благодаря условию (1) большая часть электронов пролетает базу, не успев рекомбинировать. Для этих электронов коллекторный переход — потенциальная яма, поэтому все они попадают в коллектор и создают ток в цепи коллектора. При :

, где — коэффициент передачи эмиттерного тока.

Транзисторный эффект — взаимодействие двух близкорасположенных р-п переходов — неосновные носители инжектируются в базу через один переход (эмиттерный) и собираются другим (коллекторным).

Если , транзисторного эффекта нет: получим просто 2 диода ().

В нормальном режиме выходной ток (коллектора) почти равен входному (эмиттера). Но коллекторный ток почти не зависит от напряжения . Его можно пропустить через большое сопротивление и получить усиление по напряжению.

Если входной электрод — база, а выходной — коллектор, то входной ток ;

, где — коэффициент усиления базового тока.

1.3. Разновидности транзисторов

По типу проводимости транзисторы делятся на п-р-п и р-п-р.

По механизму переноса неосновных носителей через базу:

бездрейфовые (диффузионные) — диффузионный механизм переноса;

дрейфовые — диффузионный и дрейфовый механизмы переноса

По способу изготовления и конструкции:

сплавные, диффузионные, планарные (интегральные).

Планарный п-р-п

1.4. Режимы работы транзистора

Вначале будут рассмотрены бездрейфовые транзисторы

(или транзисторы в бездрейфовом приближении).

1.5. Нормальный режим работы транзистора

Распределения неосновных носителей заряда ().

;

;

— коэффициент переноса (вероятность пролета электронов через базу без рекомбинации).

— эффективность эмиттера

(доля электронного тока в полном токе через эмиттерный переход).

; .

Для повышения следует уменьшать отношение .

Для повышения следует уменьшать отношение .

1.6. Способы включения транзистора

Основная схема включения — ОЭ. Сколь угодно большое усиление можно получить 2-мя способами:

1). Каскадируя усилители ОЭ.

2). Каскадируя поочередно включенные усилители ОБ и ОК.

Основные результаты

1). Биполярный транзистор — система двух взаимодействующих р-п переходов. Транзисторный эффект состоит в собирании коллектором неосновных носителей, инжектированных в базу из эмиттера.

2). В зависимости от полярности напряжений на р-п переходах существует 4 режима работы транзистора. Основной режим – нормальный . В этом режим максимально проявляются усилительные свойства транзистора.

3). Усилительные свойства транзистора характеризуются коэффициентом передачи эмиттерного тока , где — коэффициент переноса, — эффективность эмиттера. из-за рекомбинации неосновных носителей в базе, из-за инжекции основных носителей из базы в эмиттер (где они — неосновные) и из-за тока рекобинации в эмиттерном переходе.

4). Основные способы включения транзистора — ОЭ, ОБ и ОК. Усилительные свойства максимально проявляются при включении ОЭ.

2. Статические характеристики идеализированного

транзистора

2.1. Модель Эберса-Молла

Допущения:

1). Сопротивления электронейтральных областей .

2). НУИ.

3). Токи рекомбинации-генерации в переходах .

4). Концентрации примеси (не зависят от координаты х).

5). Толщина электронейтральных областей (не зависит от напряжений ).

В основе модели — разделение токов на инжектируемые (inj) и собираемые (col) составляющие.

;

.

,

—.

инжектируемые токи.

Собираемые токи – электронные.

Эквивалентная схема:

— инжектируемые токи;

, — собираемые.

; (2.1.1а)

; (2.1.1б)

;

; .

, — тепловые токи эмиттерного и коллекторного диодов;

, — нормальный и инверсный коэффициенты передачи токов.

Уравнения Эберса-Молла:

; (2.1.2а)

; (2.1.2б)

. (2.1.2в)

ВАХ транзистора определяются четырьмя параметрами:

, , , .

Из них независимы 3, т.к. .

При : ;

;

;

;

;

;

; ; .

Типичные значения: ;  ; .

Часто вместо , удобно использовать параметры:

— тепловой ток коллектора и эмиттера;

— тепловой ток коллектора.

;

; ;

; (2.1.3а)

; (2.1.3б)

. (2.1.4)

Иногда удобнее использовать параметры:

и .

; (2.1.5а)

. (2.1.5б)

. (2.1.6)

2.2. Статические характеристики в схеме ОБ

Электрическое состояние транзистора задают 6 электрических переменных: , , , , , и . Из них 2 — независимы (аргументы), а остальные 4 определяются 3-мя уравнениями Эберса-Молла (1) – (3) и уравнением Кирхгоффа .

Входные характеристики: , — параметр.

Выходные характеристики: , — параметр.

Входные характеристики определяются уравнением (2.1.2а):

. (2.2.1)

.

При V_BC = 0: .

При V_BC > 0 ВАХ сдвигается вниз на .

При V_BC < 0 ВАХ сдвигается вверх на _N I_1S — обратный ток I_1S (1- _N).

Выходные характеристики определяются уравнениями (2.1.2а,б):

;

.

Исключая из них (обведенные скобки) и учитывая, что , ., получим:

.

При : . (2.2.2)

Управляемая часть Неуправляемая часть

2.3. Статические характеристики в схеме ОЭ

При включении ОЭ вместо _N и _I удобнее использовать параметры , .

Входные характеристики: , — параметр.

Выходные характеристики: , — параметр.

Входные характеристики определяются уравнением (2.1.2в):

. (2.2.3)

Учитывая, что , , , , получим:

;

, где .

При : , и .

При V_CE = 0:

.

При V_CE > 0 ВАХ сдвигается вправо на .

При V_BC < 0 ВАХ сдвигается влево на .

Выходные характеристики определяются уравнениями (2.1.1б,в):

.

.

Учитывая, что , , , , получим:

,

,

.

Отсюда выходные ВАХ: .

V_BС = 0

При :

. (2.3.1)

Управляемая Неуправляемая

часть часть

Неуправляемая часть тока коллектора в раз больше, чем в схеме ОБ.

В схеме ОБ при , : .

В схеме ОЭ при , : .

Эта добавка тока в базу усиливается в раз.

Минимальный ток коллектора в нормальном режиме достигается при (при этом ).

В отличие от схемы ОБ в схеме ОЭ насыщение коллекторного тока происходит при выходном напряжении В.

При  .

Основные результаты

1). Статические характеристики идеализированного биполярного транзистора описываются уравнениями Эберса-Молла, в основе которых лежит разделение токов эмиттера и коллектора на инжектируемые и собираемые составляющие.

2). ВАХ идеализированного транзистора определяются четырьмя параметрами: , , , , связанных соотношением .

3). При включении ОБ вместо и удобно использовать параметры и , причем .

При включении ОЭ вместо , удобно использовать параметры и , а вместо , — и , причем .

4). В нормальном режиме при ток коллектора зависит только от входного тока (эмиттера или коллектора) и не зависит от выходного напряжения (база-коллектор или коллектор-эмиттер).

Для схемы ОБ: ; для схемы ОЭ: .

В схеме ОЭ неуправляемая составляющая коллекторного тока в раз больше, чем в схеме ОБ.