твердотіла електроніка / презентації лекцій ТТЕ Холод Т.С / 3тя тема БТ2

I1 h21Ái I2 h21Ái ISK .

Отже, з (3.27) одержуємо

Тоді вирази (3.26), (3.27) з урахуванням формул (3.24), (3.25), (3.28) і (3.29) можна перетворити до вигляду:

Одержані рівняння Еберса-Молла описують нелінійну модель ідеалізованого транзистора. Вони застосовуються при комп’ютерному аналізі електронних схем.

3.2 Статичні характеристики і параметри біполярних транзисторів

Статичним режимом напівпровідникового приладу називають режим, у якому всі параметри (напруги, струми електродів) постійні. Статичні характеристики виражають залежність між струмом електрода і постійними напругами на електродах приладу.

При аналізі БТ у статичному режимі важливо встановити зв’язок між його струмами і напругами. З цією метою БТ можна подати як чотириполюсник, на вході якого діють комплексні вхідні напруги Uâõ і струм Iâõ , а на виході – комплексні Uâèõ і Iâèõ (рис. 3.11).

Якщо чотириполюсник у загальному випадку нелінійний, тобто вхідні напруги і струм змінюються в широких межах, то функціональна залежність Uâèõ , Iâèõ від Uâõ , Iâõ описується в формі статичних характеристик.

Рисунок 3.13 – БТ як чотириполюсник

11

Параметри чотириполюсника, які також описують зв’язок між вхідними та вихідними величинами чотириполюсника в статичному режимі, на відміну від характеристик визначаються при малих змінах Uâõ та Iâõ , і тому чотириполюсник у цьому разі вважається

лінійним, а параметри називаються малосигнальними.

Характеристики і параметри БТ як чотириполюсника розподіляються між системами залежно від того, які напруги і струми беруться за аргументи, а які – за значення функцій. Найбільш поширеними є три системи характеристик і параметрів: Y-, Z- та Н- системи (таблиця 3.3).

Таблиця 3.3

Оскільки найбільше прикладне значення має Н-система характеристик і параметрів (так звана гібридна система) і саме їй приділяється максимальна увага в інженерній практиці, в довідниках та іншій спеціальній літературі, то надалі розглядатимемо саме її, тобто вивчатимемо систему статичних гібридних характеристик і малосигнальних h-параметрів.

Отже, в Н-системі за аргументи беруться вхідний струм та вихідна напруга:

Uâõ = f (Iâõ,Uâèõ) ,

У статичному режимі один з аргументів фіксується і БТ можна описати такими сім’ями характеристик:

зворотного зв’язку Uâõ = f (Uâuõ) Iâõ const ;

прямої передачі Iâèõ = f (Iâõ) Uâuõ const .

На практиці зручніше користуватися вхідними оберненими характеристиками Iâõ = f (Uâõ) Uâuõ const . Крім того, останні дві сім’ї, які застосовуються рідше, ніж сім’ї вхідних і

вихідних характеристик, можуть бути одержані з перших. Розглянемо статичні гібридні характеристики БТ для кожної схеми ввімкнення окремо.

3.2.1 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільною базою

Теоретично статичні характеристики БТ у ССБ можуть бути одержані за допомогою рівнянь Еберса – Молла. Але в цих рівняннях не враховуються опір бази і модуляція її товщини залежно від зміни напруги UКБ . Тому на практиці застосовують експериментально

зняті статичні характеристики. Схему для зняття характеристик БТ зі спільною базою зображено на рисунку 3.12.

12

Рисунок 3.12 – Схема лабораторного зняття статичних характеристик БТ зі спільною базою

Слід зауважити, що при одержанні характеристик для n-p-n транзистора потрібно змінити полярність напруг UEБ і UКБ .

0 0,1 0,2 0,3 UЕБ,В

Рисунок 3.13 – Статичні вхідні характеристики БТ зі спільною базою

При UКБ 0 (колектор замкнено з базою) вхідна характеристика відтворює пряму гілку ВАХ ЕП:

При негативній напрузі на колекторі характеристика зміщується вгору, в бік більших струмів емітера. Причина цього зміщення:

1) при збільшенні негативної UКБ зменшується активна ширина бази , зростає градієнт концентрації дірок у базі (рис. 3.14), і тому при незмінній напрузі UEБ збільшується

IЕ ;

Рисунок 3.14 – Модуляція товщини бази БТ та її вплив на розподіл концентрації неосновних носіїв

2) при збільшенні запірної напруги UКБ на КП зростає зворотний струм колектора IКБ0 ,

який, протікаючи через розподілений опір бази rБ , створює на ньому спад напруги зворотного зв’язку UЗЗ (рис. 3.15). Ця напруга, узгоджена з напругою UEБ за напрямом, сприяє більшому відкриванню ЕП і зростанню внаслідок цього струму IЕ .

13

Рисунок 3.15 – Утворення напруги зворотного зв’язку на розподіленому опорі бази

Під впливом перелічених причин у емітерному колі БТ при UEБ 0 і негативній напрузі на колекторі протікає невеликий струм емітера. Для того щоб його усунути, треба до емітера

Одержана формула описує вихідні характеристики при різних струмах емітера.

Рисунок 3.16 – Статичні вихідні характеристики БТ зі спільною базою

Межею між режимом відсічки ( IЕ 0 ) і активним режимом ( IЕ 0 ) є характеристика при IÅ 0 , яка є зворотною гілкою ВАХ КП. При збільшенні негативної напруги UKБ струм колектора швидко досягає значення IКБ0 . Подальше зростання IК зумовлюється зростанням струмів генерації та витоку КП. При деяких високих напругах UKБ (для транзистора МП14 при IЕ 0 ці напруги перевищують 15В) у КП виникає пробій, що супроводжується значним зростанням колекторного струму.

При IЕ 0 вихідні характеристики зменшуються в бік більших колекторних струмів на

зображеною на рисунку 3.6, яка свідчить, що статичний коефіцієнт передачі струму h21Б не є

сталою величиною для різних струмів емітера. Для більших колекторних та емітерних струмів пробій КП відбувається при менших напругах і може перетворитися в тепловий. З метою унеможливлення пробою режим роботи приладу треба вибирати нижче кривої максимально допустимої потужності PK max , що розсіюється колектором (пунктирна

гіпербола на рисунку 3.16).

При UKБ 0 та IЕ 0 переходи транзистора вмикаються у прямому напрямі, і прилад переходить до режиму насичення. У цьому режимі різко зменшується IK , тому що зростає інжекційна складова колекторного струму, яка компенсує керовану, екстракційну складову.

зумовлюється залежністю h21Б f (UКБ ) (рис. 3.7).

IК

UКБ < 0

UКБ = 0

IКБ0

Рисунок 3.17 – Сім’я характеристик прямої передачі БТ зі спільною базою

Характеристику прямої передачі можна одержати з сім’ї вихідних характеристик, фіксуючи UKБ .

Характеристики зворотного зв’язку

Сім’я характеристик зворотного зв’язку

показана на рисунку 3.18.

При збільшенні UKБ зменшується активна ширина бази транзистора , і за рахунок зростання градієнта концентрації дірок у базі (див. рис. 3.14) зростає струм IЕ . Для підтримання його постійного значення, як того вимагають умови зняття характеристик, потрібно зростання IЕ компенсувати зменшенням напруги UEБ . Ця обставина зумовлює від’ємний нахил характеристик.

15

IEIV

IEIII

IEII

IEI

попереднього градієнта концентрації дірок, тобто нахилу графіка pn f (x) (рис. 3.19).

Рисунок 3.19 – Розподіл концентрації дірок у базі при знятті характеристик зворотного зв’язку БТ зі спільною базою

3.2.2 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільним емітером

Схему для зняття характеристик БТ у ССЕ показано на рисунку 3.20.

Рисунок 3.20 – Схема для експериментального зняття характеристик БТ зі спільним емітером

Вхідні характеристики

Рисунок 3.21 – Статичні вхідні характеристики БТ зі спільним емітером

(рис. 3.22), і вхідна характеристика є прямою гілкою ВАХ двох паралельно ввімкнених переходів.

16

При UКЕ 0 КП вмикається у зворотному напрямі, і в колі бази протікає струм

IБ I КБ0 .

Рисунок 3.22 – БТ зі спільним емітером при UКЕ 0

При збільшенні напруги UБЕ починає зростати струм IE , а разом з ним – рекомбінаційна складова струму бази IБ рек (1 h21Б )IЕ . Струм IБ зменшується за модулем, оскільки IБ рек

обумовлено особливостями вхідних характеристик схеми зі спільним емітером, тобто тим,

Рисунок 3.23 – Статичні вихідні характеристики БТ зі спільним емітером

При цьому зростання негативної напруги UKЕ приводить до збільшення напруги UБЕ , при якій зберігається умова (3.37), як це випливає з сім’ї вхідних характеристик (рис. 3.21). Остання обставина викликає зростання емітерного IЕ і, як наслідок, колекторного IK струмів.

При подальшому збільшенні струму IБ вихідні характеристики змінюються за законом

17

Нееквідистантність зміщення характеристик у бік більших струмів колектора зумовлена характером залежності h21E f (IБ ) (рис. 3.24).

Характер проходження вихідної характеристики БТ при фіксованому струмі бази IБ 0 пояснюється наступним чином. При UКЕ 0 за рахунок того, що потенціал бази нижчий, ніж

однакові потенціали емітера і колектора, ЕП і КП увімкнено в прямому напрямі, і БТ перебуває у РН.

Рисунок 3.24 – Залежність h21E f (IБ )

Тепер, якщо збільшувати негативний потенціал на колекторі ( UКЕ 0 ), потенціальний

бар’єр КП збільшується, інжекційна складова колекторного струму спадає, а керований струм колектора за рахунок зростаючої екстракції дірок з бази до колектора збільшується.

рахунок розсмоктування дірок, що нагромадились у базі в РН. При виконанні рівності UKE UБЕ транзистор переходить до АР, зростання колекторного струму сповільнюється,

що на характеристиках рисунка 3.23 відповідає початку пологої ділянки. Важливим є те, що нахил вихідних характеристик БТ зі спільним емітером на пологій ділянці більший за нахил відповідних характеристик БТ зі спільною базою, тобто у ССЕ струм IК зростає при

збільшенні колекторної напруги швидше, ніж у ССБ. Це зумовлено двома причинами.

1 Напруга UКЕ , на відміну від вихідної напруги UКБ у ССБ, розподіляється між ЕП та КП, а не прикладена лише до КП. Тому при збільшенні UКЕ дещо зростає й напруга UБЕ , що приводить до збільшення емітерного IЕ , а отже, і колекторного IК струмів.

2 Зростання негативної напруги UКЕ приводить до збільшення товщини КП і зменшення

активної ширини бази . Це приводить до зменшення рекомбінаційного струму бази, бо зменшується ймовірність рекомбінації дірок з електронами. Однак при одержанні вихідних

18

Рисунок 3.25 – Характеристики прямої передачі БТ зі спільним емітером

Реальні характеристики відрізняються від лінійних, і їх нахил деякою мірою залежить від напруги UКЕ . Швидкість зростання IК із зростанням струму бази зменшується. Це

зумовлено залежністю h21E f (IБ ) (рис. 3.24). Знаходження характеристики прямої передачі при UКЕ у від’ємному квадранті пояснюється тим, що в РН колекторний струм БТ має напрям, протилежний напряму IК в АР.

Характеристики зворотного зв’язку

приводить до зменшення активної ширини бази , зменшення струму бази. Для підтримання постійного значення IБ потрібно збільшувати емітерний струм IЕ , підвищуючи напругу

UБЕ .

Рисунок 3.26 – Характеристики зворотного зв’язку БТ зі спільним емітером

3.2.3 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільним коллектором

Рисунок 3.27 – Статичні вхідні характеристики БТ зі спільним колектором

Вихідні характеристики транзистора зі спільним колектором IЕ f (UKE ) при IБ const майже нічим не відрізняються від вихідних характеристик схеми зі спільним емітером, тому

що IЕ IK , а UЕК UКE .

19

3.2.4 Вплив температури на статичні характеристики транзисторів

Температурна залежність вихідних або вхідних характеристик зумовлена зміною відповідно колекторного або емітерного струму при зміні температури.

Схема зі спільною базою

У ССБ, згідно з рівнянням (3.10), зміна колекторного струму при постійному струмі емітера

dIK IE dh21Б dIKБ0 .

Відносна зміна струму колектора

a 0, 09 1K - для германію; a 0,13 1K - для кремнію.

У практичних розрахунках вважається, що величина I КБ0 подвоюється при зростанні

температури на 10 С для германієвих БТ і на 8 С - для кремнієвих БТ. Але вплив другого доданка формули (3.39) на температурний дрейф вихідних характеристик є незначним,

оскільки для більшості транзисторів I КБ0 /IК 10 3 10 6 .

Саме тому температурні зміни вихідних характеристик БТ зі спільною базою невеликі

(рис. 3.28).

Значно більшої температурної зміни зазнають вхідні характеристики.

UЕБ

Відомо, що I E IEБ0 e Т (UЕБ T ) ,

де I EБ0 - зворотний струм емітера, залежність якого від температури така сама, як і струму

I КБ0 .

IК

I

E

Рисунок 3.28 – Температурний дрейф вихідних характеристик БТ зі спільною базою

Унаслідок цього залежність емітерного струму від температури набирає вигляду

20