Модель транзистора, содержащая энергоемкие элементы.

 

При частотах сигналов, лежащих в верхней части звукового диапазона и выше, собственное быстродействие прибора может оказаться существенным при определении реального отклика на внешнее воздействие. Если необходимо точно определить время задержки и его влияние на сигнал, то нужно учесть особенности прибора, связанные с внутренними энергоемкими параметрами.

В режиме малого сигнала емкостные эффекты можно учесть, введя в малосигнальную модель транзистора постоянные идеальные конденсаторы.

Итак, более полная гибридная П-образная модель транзистора показана на рис. 1.5.16.

рис. 1.5.16. Модель транзистора с учетом энергоемких элементов

 

В этой модели введены два новых элемента rб, Сбэ и Сбк.

rб представляет собой сопротивление толщи полупроводникового материала между выводом базы и ее активной областью, примыкающей к той части базы, через которую происходит диффузия неосновных но сителей. Величина этого сопротивления сильно зависит от типа транзистора и положения рабочей точки и может изменяться в пре делах от нескольких единиц до сотен Ом. Т.к. резистор rб не является энергоемким элементом, то его можно бы включить в модель 2 транзистора. Однако влияние этого элемента в основном проявляется на высоких частотах, т.к. через него проходит заряд двух внутренних конденсаторов Сбэ и Сбк.

Появление конденсаторов Сбэ и Сбк в модели транзистора связано с особенностями физических свойств базовой области и примыкающих к ней эмиттерного и коллекторного переходов. Так, например, Сбк характеризует емкость смещенного в обратном направлении коллекторного перехода. При изменении напряжения между коллектором и базой величина объемного заряда, возникающего в обедненном слое p-n-перехода, также будет изменяться. Следовательно, сам обедненный слой действует подобно конденсатору: изменение напряжения на нем сопровождается изменением заряда. Для лучших высококачественных транзисторов величина Сбк не превышает 2 пФ, а для типовых пФ.

Появление емкости Сбэ обусловлено, во-первых, емкостью эмит терного перехода, характер изменения которой аналогичен емкости коллекторного перехода, что дает первую компоненту этой емкости и, во-вторых, при среднем и большем появлением избыточных неосновных носителей в ранее электрически нейтральной области базы между p-n-переходами, что дает вторую компоненту этой емкости. Появление второй компоненты емкости иллюстрируется рис. 1.5.17.

рис.1.5.17. Распределение не основных носителей заряда в области базы.

 

На рисунке схематически изображено распределение не основных носителей заряда в области базы для двух несколько отличающихся значений разности потенциалов между эмиттером и базой Uбэ1 и Uбэ2. Через смещенный в прямом направлении эмиттерный переход в базу инжектируется большое количество не основных носителей, в то же время благодаря обратному смещению на коллекторном переходе концентрация не основных носителей вблизи него весьма мала. Полное количество не основных носителей, "запасенных" в области базы при данном напряжении между базой и эмиттером, графически представляется площадью под соответствующей прямой. Следовательно, заштрихованная область между прямыми Uбэ1 и Uбэ2 характеризует изменение этого количества не основных носителей, которое должно произойти, если напряжение на Э-Б изменится от Uбэ1 до Uбэ2. Одновременно с этим для поддержания электрической нейтральности в области базы через выход базы из внешней цепи должно войти или выйти такое же количество основных носителей. Элементом электрической цепи, отражающим это явление, является конденсатор, потому что изменение напряжения между эмиттером и базой вызывает протекание электрического заряда в цепи. Таким образом, полная емкость конденсатора Сбэ определяется как сумма емкости, связанной с накоплением не основных носителей в области базы, и емкости, обусловленной пространственным зарядом в области эмиттерного перехода. Величина Сбэ приблизительно линейно зависит от коллекторного тока транзистора, причем типовые значения этой емкости лежат в диапазоне нескольких сотен пикофарад.

 

Алгоритм определения параметров гибридной П-образной модели транзистора.

 

Хотя параметры рассмотренной П-образной модели и изменяются в зависимости от положения рабочей точки транзистора, однако они не зависят от частоты усиливаемого сигнала. Этот факт объясняет широкое использование указанной модели. В литературе рассматриваются и другие модели транзисторов, например, использующие системы h-параметров или y-параметров. Однако в связи с тем, что параметры этих моделей зависят от частоты, они должны быть представлены в гармоническом виде. Параметры гибридной П-образной модели можно получить из паспортных данных транзистора, после чего работа транзистора на любых интересующих нас частотах будет характеризоваться эквивалентной схемой, содержащей RC-цепи.

Рассмотрим алгоритм определения параметров гибридных П-образных схем транзисторов по паспортным данным транзистора.

1. Прежде всего, по постоянному току коллектора находим:

 

 

Причем (kt/q)  25 мВ при комнатной температуре.

2. Затем из паспортных данных транзистора выписывают малосигнальный коэффициент усиления по току . В паспорте он обычно обозначается как эквивалентный h-параметр . Т.е. .

3. Далее определяется rбэ как для чисто резистивной схемы:

 

 

4. Значение емкости Сбк может быть записано непосредственно из паспортных данных, где она обычно фигурирует как выходная емкость в схеме с общей базой.

5. Передаточную функцию для коэффициента усиления (S) можно за писать в виде:

 

 

рис. 1.5.18. График изменения коэффициента усиления по току от частоты.

 

–частота, соответствующая полюсу передаточной функции, т.е. значение частоты, начиная с которого наблюдается заметное уменьшение усиления по току.

 

 

–частота, соответствующая точке пересечения высокочастотной асимптоты и прямой, определяемой выражением (j) = 1. Этой частоте соответствует частота:

 

 

которая является параметром, приводимым в паспортных данных транзистора. Иногда вместо f_Т в паспорте транзистора приводят значение  или  на частоте f, заведомо лежащей в диапазоне, соответствующем высокочастотной асимптоте. В этом случае  . Например, дано  на частоте 50 мГц, тогда f_Т = 50*2 = 100 мГц.

6. Из выражения для f_Т находим:

 

 

7. Сопротивление rб на низких частотах задается в паспортных данных. В противном случае берется в диапазоне 50 - 100 Ом. На высоких частотах rб определяется по зависимости:

 

rб = Re(1/y_ie)   _a

 

где y_ia – входной параметр транзистора.

 

y_ie = S(Сбэ + Скб)/1 + S*rбэ(Сбэ + Скб)

y_ieимеет единственный полюс на частоте_a. Если данныеy_ieна высоких частотах отсутствуют, то оценочное значение rб для этих частот примерно равно 25 Ом.

Лекция № 7. Полевые транзисторы.

 

План лекции.

 

1.     Полевой транзистор с p-n –переходом;

2.     Полевой транзистор со структурой типа металл-окисел-полупроводник.

 

Биполярные транзисторы управляются током, вследствие чего они имеют малое входное сопротивление, что в ряде случаев является недостатком. Поэтому были разработаны специальные транзисторы с большим входным сопротивлением – полевые транзисторы. Термин "полевой" подчеркивает, что управление в этом полупроводниковом приборе осуществляется электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах.

Для того, чтобы управлять током в полупроводнике с помощью электрического поля, нужно менять либо площадь проводящего полупроводникового слоя, либо его удельную проводимость. В полевых транзисторах используют два способа, и соответственно различают 2 разновидности полевых транзисторов: транзистор с управляющим p-n-переходом и МОП-транзистор (структура металл-окисел-полупроводник).

МОП-транзисторы, в свою очередь, подразделяют на МОП-транзисторы с индуцированным и со встроенным каналом. Работа полевых транзисторов основана на использовании только одного типа носителей – основных, поэтому их еще называют униполярными.