4. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими перехода­ми и тремя (или более) выводами, усилительные свойства ко­торого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Роль выпрямляющего электрического перехода (как и в диоде) выполняет р-n-переход. В биполярном транзисторе используются одновременно два типа носителей зарядов — элек­троны и дырки (отсюда и название — биполярный). Переходы транзистора образованы тремя областями с чередующимися ти­пами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы р-п-р- и n-р-n-типа. В микро­электронике главную роль играют транзисторы n-р-n-типа. На рис. 2.6,8,9 показаны условные графические обозначения биполяр­ного транзистора.

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух р-n-переходов; это обеспечивается тем, что толщина b сред­ней области транзистора (базы) выбирается меньше длины свободного пробега L (диффузионной длины) носителей заряда в этой области (обычно b«L).

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на при­мере транзистора n-р-n-типа, для которого концентрация основ­ных носителей в л-области существенно выше, чем в р-области, т. е. справедливо неравенство п_n»р_з. Для данной структуры (рис. 2.8, а) левую n-область, которая в нашем примере будет инжектировать электроны в соседнюю р-область, называют эмит­тером, правую n-область, которая в дальнейшем должна экстрактировать находящиеся в соседней р-области электроны, называют коллектором, а среднюю область — базой. Соответственно примыкающий к эмиттеру p-n-переход (П₁) называют эмиттерным,

Р ис 2.8 Схема распределения токов в транзисторе п-р-п-типа (а) и реальная структура биполярного транзистора (б)

а примыкающий к коллектору (П₂) — коллекторным. Металличе­ские выводы, привариваемые или припаиваемые к полупроводни­ковым областям, называют соответственно эмиттерным, коллек­торным и базовым выводами.

Приложим к эмиттерному переходу прямое (U_бэ), а к коллек­торному—обратное (U_кБ) напряжения. В результате через эмиттерный переход П₁ в область базы будут инжектировать элек­троны (инжекцией дырок из области базы в эмиттерную область пренебрегаем), образуя эмиттерный ток транзистора Iэ. Поток электронов, обеспечивающий ток Iэ через переход П₁ показан на рис. 2.8, а широкой заштрихованной стрелкой.

Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда — дыр­ками, образуя ток базы I’_Б (см. рис. 2.8,а). Другая часть инжек­тированных электронов, которая достигает коллекторного пере­хода (П₂), с помощью электрического поля, создаваемого напря­жением U_кБ, подвергается экстрации (экстрактируется) во вто­рую n-областъ транзистора — коллектор, образуя через переход П₂ коллекторный ток Iк'. Уменьшение потока электронов через кол­лекторный переход (а, следовательно, и коллекторного тока) по сравнению с потоком дырок через эмиттерный переход можно учесть следующим соотношением:

(2.8)

где а = 0,95... 0,99 — коэффициент передачи тока эмиттера.

Через запертый коллекторный переход будет создаваться об­ратный ток I_кб0 , образованный потоком из п- в р-область неоснов­ных для коллекторной области носителей заряда — дырок р_п, который совместно с током 1_К' образует выходной ток транзи­стора и ток в базовом выводе

(2.9)

С учетом (2.8) равенство (2.9) примет вид

(2.10)

Учитывая, что I_э» I_кб0 можно на практике использовать соотно­шение

(2.11)

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соот­ветствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис.2.8,а) представляет собой базовый ток

(2.12)

Заменив Iэ в (2.12) его значением (2.11), получим

или .

Отсюда или

, (2.13)

где β=а/(1—а) —динамический коэффициент передачи тока базы.

Учитывая приведенные ранее значения а, становится очевид­ным, что β>1.

Из выражений (2.11) и (2.13) следует, что транзистор пред­ставляет собой управляемый элемент, поскольку значение его кол­лекторного тока Iк зависит от значений токов эмиттера Iэ и ба­зы I_б . При этом значение тока Iк существенно зависит от эффек­тивности взаимодействия двух р-n-переходов, которое, в свою оче­редь, обеспечивается соотношением b»L, позволяющим умень­шить рекомбинацию инжектированных в область базы неосновных носителей заряда.

Уменьшению рекомбинации инжектированных в область базы носителей заряда (а, следовательно, повышению эффективности взаимодействия двух p-n-переходов) способствует также значи­тельно меньшая концентрация основных носителей заряда в об­ласти базы по сравнению с концентрацией их в эмиттерной об­ласти.

Один из наиболее распространенных на практике вариантов реальной структуры биполярного транзистора приведен на рис. 2.8,б. Как видно из рисунка, каждый из переходов имеет донную и боковые части. Рабочая (активная) область транзистора расположена под донной частью эмиттерного перехода (на рис. 2.8,6 эта область не заштрихована). Остальные (заштрихованные) области структуры являются пассивными, т. е. в извест­ной мере паразитными. Их наличие неизбежно и объясняется особенностями технологического процесса изготовления структуры биполярного транзистора в полупроводниковой пластине. Пассив­ные участки можно в первом приближении моделировать в экви­валентной схеме транзистора резисторами, подключенными к ра­бочим слоям базы и коллектора.

Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если концентрация примесей по всему объему базового слоя одинакова, т. е. база однородна, то движение носителей заряда в ней (при отсутствии приложенного к транзистору внешнего напря­жения) носит чисто диффузионный характер. Если же база неод­нородна, то за счет образовавшегося в ней внутреннего электри­ческого поля движение носителей будет комбинированным: диф­фузия сочетается с дрейфом носителей заряда в этом поле. Транзисторы с однородной базой называются диффузионными,с неоднородной — дрейфовыми. Последние обладают лучшими ча­стотными свойствами и получили наибольшее распространение.

Сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (несколько мегаом). Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями, не изменяя значения коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность. Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (десятки Ом). Поэтому при почти одинаковых значениях эмиттерного и коллекторного токов мощность, потребляемая в цепи эмиттера оказывается существенно меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки. Это указывает на то, что транзистор является полупроводниковым прибором, усиливающим мощность.

С другой стороны, малые значения входного напряжения (прямое смещение эмиттерного перехода, составляющее десятые доли вольта) и большие значения выходного напряжения (обратное смещение коллекторного перехода, составляющее десятки вольт) указывают на то, что этот управляемый нелинейный элемент может применяться для усиления напряжения.

Режимы работы. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Нормальный или активный режим — на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. Имен­но этот режим работы транзистора, как можно видеть из рис. 2.8, а, соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. К тому же он обеспечивает минимальные искаже­ния усиливаемого сигнала.

Инверсный режим — к коллекторному переходу подведено пря­мое напряжение, а к эмиттерному — обратное. Исходя из реаль­ной структуры биполярного транзистора (см. рис. 2.8,6), инверс­ный режим работы приводит к значительному уменьшению коэф­фициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой транзистора в нормальном режиме (если учитывать при этом, кроме реальной структуры, также более слабое легирование кол­лекторного слоя по сравнению с эмиттерным при изготовлении транзисторных структур) и поэтому на практике применяется крайне редко.

Двойной инжекции или насыщения — оба перехода (эмиттер­ный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Вы­ходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные на­пряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыка­ния цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярного транзистора в анало­говых электронных устройствах является нормальный режим. Ре­жимы насыщения и отсечки обычно применяются совместно для осуществления коммутации как силовых, так и информационных цепей.

Схемы включения и основные параметры. Биполярный транзи­стор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. В зависимости от того, какой из трех выводов транзистора является общим для входа и выхода четырехпо­люсника, различают схему включения транзистора с общей ба­зой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Схемы, приведенные на рис. 2.9, а, б, представляют собой схему включения транзистора с ОЭ и используются наиболее часто.

Полярность подключаемого внешнего источника зависит от типа транзистора (для р-п-р — рис. 2.9, а, для п-р-п — рис. 2.9,6). В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, а выходным — ток коллектора. В схеме с ОБ выходным током (как и в

Р ис. 2.9. Включение биполярного транзистора р-п-р (а) и п-р-п-типа (б) в схеме с ОЭ и п-р-п-типа в схеме с ОК (в, г)

схеме с ОЭ) является ток коллектора, входным — ток эмиттера (см. рис. 2.8,а).

Особое место из всех схем включения транзистора занимает схема с ОК, где входным током является ток базы, а выходным — ток эмиттера. По аналогии с предыдущими схемами включения n-p-n-транзистора схема с ОК имеет вид, представленный на рис.2,9, в. Однако такое подключение источников Е₁ и Е₂ к выводам транзистора создает инверсный режим его работы, что приводит, как уже отмечалось ранее, к значительному уменьшению значения коэффициента передачи тока эмиттера α (а следовательно и β). Поэтому на практике применяют схему с ОК, приведенную на рис. 2.9, г и обеспечивающую нормальный режим рабоы n-р-n-транзистора и сохранение тока базы — входным, а тока эмиттера — выходным.

Так как нагрузка в схеме с ОК включена в эмиттерную цепь, то эта схема чаще называется схемой эмиттерного повторителя.Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления;

По току k_I = ΔI_вых/ΔI_вх;

по напряжению k_U = ΔU_вых/ΔU;

по мощности k_P = k_i∙k_U=ΔP_выхJΔP_вх;

а также:

входное сопротивление R_BX=U_BX/I_BX.;

выходное сопротивление R_BX=U_BЫX/I_BЫX.;

Ниже приводится расчет указанных параметров транзистора для каждой схемы его включения.

В схеме с ОБ

где R_вхБ —сопротивление открытого эмиттерного перехода, составляющее, как уже отмечалось, десятки ом;

где k_UБ»1, так как R_н»R_вхБ.

Таким образом, схема с ОБ характеризуется малым входным сопротивле­нием, отсутствием усиления по току, большим усилением по напряжению и мощ­ности.

В схеме с ОЭ:

где В — статический коэффициент передачи тока базы (в отличие от дифферен­циального коэффициента передачи тока базы β).

Для проведения сравнительных расчетов значений параметров транзистора при различных схемах его включения примем В β. Тогда

где k_UЭ»1, так как R_н»R_вхБ.

Таким образом, схема с ОЭ имеет большее, чем схема с ОБ, входное сопро­тивление и усиливает сигнал как по току, так по напряжению и мощности.

В схеме с ОК:

т. е. схема с ОК имеет k_ik»l;

Таким образом, схема с ОК (схема эмиттерного повторителя) имеет значительно большее значение входного сопротивления, чем любая другая схема включения транзистора, и усиливает сигнал по току и мощности. Большое значение входного сопротивления схемы с ОК предопределяет широкое применение на практике эмиттерного повторителя в качестве согласующего устройства.

Полученные значения параметров транзистора для различных схем его включения представлены в табл. 2.2. Анализ данных свидетельствует об универсальности схемы с ОЭ (см. рис. 2.9,6), обеспечивающей усиление транзистора как по току, так и по напряжению. Этим объясняется широкое применение указанной схемы включения транзистора в нелинейных цепях. Высокие значения β обусловливают также усилительное свойство транзистора

Таблица 2.2

Основные показатели биполярного транзистора для различных схем его включения

Вид схемы	Токи		Напряжения		Основные параметры			Примечание
	Iвх	Iвых	Uвх	Uвых	kI	KU	Rвх
С общей базой	IЭ	IК	UЭБ	UН	α			ki<1 kU>1
С общим эмиттером	IБ	IК	UЭБ	UН	β			ki>1 kU>1
С общим коллектором	IБ	IЭ	UКБ	UН	β+1			ki>1 kU<1

по току, заключающееся в возможности малыми входными токами (током I_Б) управлять существенно большими токами (током I_кβI_Б) в выходной (нагрузочной) цепи.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои ста­тические характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенного напряже­ния. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют в графической форме.

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими ВАХ, показывающими соответственно за­висимость входного тока от входного напряжения (при постоян­ном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора). Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора п-р-п-типа для схем включения с ОЭ и ОБ приведены на рис. 2.10. Очевидно, что они имеют явно выраженный нелиней­ный характер. При этом входные ВАХ (рис. 2.10, а, в) подобны прямой ветви ВАХ диода, а выходные (рис. 2.10, б, г) характери­зуются вначале резким возрастанием выходного тока /_к при воз­растании выходного напряжения Uкэ, а затем, по мере дальней­шего роста напряжения, незначительным его увеличением. Пере­ход значений выходного тока на пологий участок соответствует границе области режима насыщения транзистора, когда оба пере­хода открыты (U_БЭ >0 и U_кб >0). При этом на выходных харак­теристиках транзистора, включенного с ОБ, явно видны области двух режимов его работы: нормального режима, соответствующего обратному напряжению на коллекторном переходе (I квадрант) и режима двойной инжекции, соответствующего прямому смеще­нию коллекторного перехода (II квадрант).

При включении транзистора в схему с ОЭ выходные характе­ристики полностью располагаются в 1-м квадранте. В то же время изменение положительного значения входного тока начинается не от нулевого значения входного напряжения, как в случае схемы с ОБ, а при некотором его положительном значении из-за падения напряжения на эмиттерном переходе от тока Iэ при Uкэ0.

На выходной характеристике транзистора можно выделить три области, отвечающие различным режимам работы транзистора: насыщения (заштрихованная область левее линии ОА—режим двойной инжекции); отсечки (заштрихованная область ниже линии ОБ, соответствующая закрытому состоянию транзистора, когда U_БЭ <0 и U_КЭ<0; активной (незаштрихованная область между линиями ОА и ОБ), соответствующая активному состоянию транзистора, когда U_БЭ >0 и U_кб >0— нормальный режим работы транзистора. Статические характеристики используются для расчета нелинейных цепей, содержащих транзистор.

5. Эквивалентные схемы применяются для анализа цепей, содержащих транзисторы.

И сходя из того, что биполярный транзистор есть совокупность двух встречно включенных взаимодействующих р-n-переходов, его можно представить в виде эквивалентной схемы на постоянном токе, показанной на рис. 2.11 и представляющей собой физическую модель транзистора.

Рис.2.10. Входные (а,в) и выходные (б,г) статические характеристики транзистора п-р-п-типа, включенного с ОЭ и ОБ

Рис. 2.11. Эквивалентная схема транзистора в виде модели Эберса—Молла

Эквивалентная схема биполярного транзистора на постоянном токе, являю­щаяся нелинейной физической моделью биполярного транзистора, называется моделью Эберса — Молла. Представленная модель характеризует только актив­ную область транзистора, не учитывая его пассивную (паразитную) область. Отображение пассивной области базы и коллектора за счет введения в экви­валентную схему соответствующих резисторов сильно усложнило бы ее исполь­зование, а сама схема потеряла бы свою наглядность. Модель Эберса — Молла хорошо отражает обратимость транзистора — принципиальную равноправность обоих его переходов. Эта равноправность особенно ярко проявляется в режиме двойной инжекции, когда на обоих переходах действуют прямые напряжения. В таком режиме каждый переход одновременно инжектирует носители в базу и собирает носители, дошедшие от другого перехода Токи инжектируемых носи­телей обозначены через I₁ (входной ток) и I₂ (выходной ток), а токи собирае­мых носителей— через α_ONI₁ и α_OII₂, где α_ON и α_OI, статические коэффициенты передачи тока соответственно при нормальном и инверсном включении транзи­стора Собираемые токи в данной модели обозначаются с помощью источников (генераторов) тока

Как видно из рис 2.11

Исходя из известной зависимости (2.1) для электронно-дырочного перехода можно записать выражения для токов инжектируемых носителей.

Выражения- (2.16) и '(2.17) называются формулами Эберса — Молла. Они являются математической моделью транзистора и составляют основу для анализа его работы. Следует отметить, что в этих формулах положительными считаются прямые напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах. Кроме того, необходимо иметь в виду, что параметры I_КБ0 и I_ЭБ0 в этих формулах — тепловые, а не обратные токи переходов, которые в случае кремния намного превышают тепловые Только тогда, когда на оба перехода заданы обратные напряжения, формулы (2 16) и (2.17) теряют силу и обратные токи следует оценивать с учетом тока термогенерации.

Рассмотренная выше физическая модель биполярного транзистора — модель Эберса — Молла — по своей сути нелинейна и обычно применяется для анализа работы транзистора только при больших изменениях напряжения и тока.

Большому классу электронных схем свойственен такой режим работы транзистора, при котором на фоне сравнительно больших постоянных токов и напряжений действуют малые переменные составляющие. В этом случае постоянные переменные составляющие сигнала могут анализироваться раздельно и анализ постоянных составляющих осуществляется с помощью физической модели Эберса — Молла, а при анализе переменных составляющих используется малосигнальная эквивалентная схема, состоящая из линейных элементов. Параметры ее элементов получают линеаризацией исходных характеристик транзистора в окрестности режима работы по постоянному току.

Из малосигнальных эквивалентных схем биполярного транзистора наиболее часто встречается Т-образная. Такая схема для включения транзистора с ОБ может быть легко получена из рис. 2 11 заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями г_э и г_К, а статических коэффициентов α_ON и α_OI передачи тока — дифференциальными коэффициентами при нормальном α_N и инверсном α_I включении перехода Если транзистор работает в нормальном режиме, то из эквивалентной схемы можно исключить источник тока α_II₂ и α_N обозначить через а.

При этом учет сопротивления R_Б базового слоя не усложняет анализ малосигнальной схемы. Таким образом, малосигнальная эквивалентная схема транзистора для схемы с ОБ принимает вид, показанный на рис. 2.12. Положительное направление тока эмиттера выбрано произвольно, поскольку знак приращения Δ (обозначение Δ на схеме для простоты опущено) может быть любым. Коллекторная и эмиттерная емкости изображены штриховыми линиями, так как они учитываются только при высоких частотах, а в низкочастотных схемах их можно не показывать.

Рис. 2.12. Малосигцальная эквивалентная схема транзистора для включения с ОБ

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

где I_Э — постоянная составляющая эмиттерного тока

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, обусловленное эффектом Эрли,

где , L — длина свободного пробега в области базы, N — концентрация примеси, ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ — абсолютная диэлектрическая проницаемость свободного пространства, Ь — толщина базы, Uк — модуль обратного напряжения

Из выражений (2 18) и (2 19) видно, что как сопротивление r_э, так и сопротивление r_к обратно пропорциональны постоянной составляющей тока I_э Сопротивление базы R_Б является суммой сопротивлений ее активной и пассивной областей Расчет этих сопротивлений затрудняется из за сложных траекторий базового тока и геометрией базового слоя, а также его неоднородностью Типичными для планарных (изготовленных с помощью пленарной технологии) транзисторов можно считать значения R_Б =50…200 Ом

Для включения транзистора с ОЭ Т-образная эквивалентная схема имеет вид, представленный на рис 2.13, а Чтобы обе эквивалентные схемы (рис 2.12 и 2.13, а) были равноценны, они как четырехполюсники должны иметь одинаковые параметры в режимах холостого хода и короткого замыкания Приравнивая напряжения холостого хода αI_эr_к и βI_Бr_к в указанных схемах и учитывая, что в режиме холостого хода IэI_Б получаем

Рис 2.13 Малосигнальные эквивалентные схемы транзистора для включения с ОЭ а -Т-образная, б - в h параметрах

Переходя от α к β и учитывая,что β = α/(1—α), получаем

В то же время коллекторная емкость

Таким образом, в схеме с ОЭ активное и емкостное сопротивления коллекторной цепи значительно (в β+1 раз) меньше, чем для транзистора в схеме

Параметры эквивалентной схемы могут быть определены либо расчетным, либо экспериментальным путем. Однако расчет не всегда обеспечивает требуемую точность из-за трудности учета контролируемых и неконтролируемых явлений в транзисторе В свою очередь, при выполнении эксперимента для измерения сопротивлений резисторов необходим доступ к точке Б' (см рис 2.12 и 2,13,в), что практически неосуществимо для современных транзисторов Поэтому очень часто транзистор представляют четырехполюсником, заменяя физические эквивалентные схемы более удобными на практике эквивалентными схемами в h- и у-параметрах

Эквивалентная схема в h-параметрах отражает зависимость выходного тока I₂ и входного напряжения U₁ от его входного тока I₁ и выходного напряжения U₂ транзистора Эта зависимость определяется системой уравнений:

Где ΔU₁ и ΔU₂ – изменения входного и выходного напряжений соответственно; ΔI₁ и ΔI₂ — изменения соответствующих токов.

Система уравнений может быть конкретизирована в зависимости. от схемы включения, например n-р-n-транзистора. Так, для схемы с ОЭ

Коэффициенты уравнений (2.20) определяют экспериментально помощью опытов короткого замыкания на выходе и обратного холостого хода на входе транзистора. При коротком замыкании

П ри обратном холостом ходе

П олученные h-параметры имеют следующий физический смысл: h_11Э и h_21Э —входное сопротивление и коэффициент передачи тока эмиттера при коротком замыкании на выходе транзистора; h_12Э и h_22Э —величины, обратные коэффициенту усиления по на­пряжению (коэффициент обратной связи по напряжению) и выход­ному сопротивлению (выходная проводимость) при обратном хо­лостом ходе на входе транзистора. На практике h-параметры применяют, как правило, для анализа низкочастотных схем.

Учитывая, что h_12Э у современных транзисторов приближается к нулю, он в большинстве случаев при расчете схем не прини­мается во внимание.

Приведенная система уравнений (2.20) с учетом того, что для малых синусоидальных напряжений и токов приращения заме­няются комплексными величинами, может быть записана в виде

Система уравнений (2.21) соответствует схеме замещения, по­казанной на рис. 2.13,6, которую часто называют малосигнальной схемой замещения транзистора, включенного с ОЭ.

Источник h_21Эİ_Б эквивалентной схемы называют зависимым источником тока, так как значение тока этого источника зависит от тока другой ветви — тока базы. Этот источник характеризует усиление входного тока I_Б. Аналогично источник h_12ЭU_КЭ назы­вают зависимым источником ЭДС. Он характеризует обратную связь по выходному напряжению.

Эквивалентная схема транзистора в у-параметрах обычно ис­пользуется для анализа высокочастотных схем. В этом случае независимыми переменными являются напряжения U₁ и U₂, а за­висимыми — токи 1₁ и 1₂ Тогда систему уравнений, характеризую­щих работу транзистора как четырехполюсника, можно предста­вить в общем виде

Для схемы с ОЭ (транзистор п-р-п-типа) имеем

Коэффициенты системы уравнений (2.22) определяются при прямом и обратном коротком замыкании четырехполюсника. Для случая прямого короткого замыкания

— величина обратная входному сопротивлению, т. е. входная проводимость при коротком замыкании;

— проводимость прямой передачи, т. е. величина, характеризую­щая воздействие входного напряжения на выходной ток при коротком замыкании.

Для случая обратного короткого замыкания

— проводимость обратной передачи, т. е. величина, характери­зующая воздействие выходного напряжения на входной ток при обратном коротком замыкании;

— выходная проводимость при обратном коротком замыкании. Следует подчеркнуть, что опыты короткого замыкания и холо­стого хода осуществляются по переменному току.

Переходя к комплексным переменным, получим следующую си­стему уравнений:

Система уравнений (2.23) соответствует схеме замещения, по­казанной на рис. 2.14, которую также называют малосигнальной схемой замещения транзистора для схемы с ОЭ, но уже в у-параметрах.

И сточник h_12ЭŮ_КЭ эквивалентной схемы называют зависимым источником тока, так как значение тока этого источника зависит от напряжения другой ветви; для случая включения транзистора в схему с ОЭ — от выходного напряжения Uкэ. Аналогично источник у_12ЭŮ_КЭ называют зависимым источником тока от входного напряжения Uкэ.

Рис. 2.14. Модель транзистора в у-параметрах

Зависимость параметров биполярного транзистора от частоты.

Пусть на вход транзистора, включенного по схеме с ОБ, подается импульс тока iэ амплитудой, равной 1 (рис. 2.15). Ток в цепи кол­лектора появится только через какое-то время задержки t_s, опре­деляемое временем прохождения неосновных носителей зарядов через базу, причем фронт коллекторного импульса будет нарастать постепенно, так как скорость диффузии носителей зарядов через базу будет различна (вначале коллекторного перехода достигнут наиболее быстрые неосновные носители заряда, а затем уже все остальные).

Поэтому, как видно из рис. 2.15, помимо фазового сдвига про­изошло также искажение формы входного сигнала на выходе.

Подадим теперь на вход транзистора некоторую постоянную составляющую Iэо и серию импульсов iэ=1, причем как пока­зано на рис. 2.16,а штриховой линией Iэо»Iэ=1- Пусть вначале длительность импульса входного тока iэ больше чем 2t_ф (считаем 2t_ф= t_ф +t_сп) для i_к на рис. 2.15. Тогда, пренебрегая величиной t_з, будем иметь изменение i_к, соответствующее рис. 2.16,а. Уменьшая длительность импульса до величины, равной 2t_ф, полу­чаем изменение i_к , показанное на рис. 2.16,б. При дальнейшем уменьшении длительности импульса (при повышении частоты входного сигнала) амплитуда выходного сигнала уменьшается, а следовательно, уменьшается коэффициент передачи тока тран­зистора.

Частота, при которой модуль |h_21Б | = |α| уменьшается в раз относительно своего значения, измеренного на низкой частоте, на­зывается предельной частотой усиления по току и обозначается f_o.

С изменением частоты, вполне очевидно, будет изменяться так­же величина фазового сдвига выходного тока транзистора по от­ношению к входному.

С ледует подчеркнуть, что чем тоньше база (т. е. меньше величина b), тем в меньшей степени искажается сигнал на выходе и допускается работа транзистора на более высоких частотах. Поэтому чем более высокочастотный транзистор, тем тоньше у него должна быть база.

Рис. 2.15. Переходные процес­сы при включении транзистора в схеме с ОБ

Рис. 2.16. Временные диаграм­мы токов эмиттера и коллек­тора

С повышением частоты на работу транзистора начинают ока­зывать влияние эмиттерные и коллекторные емкости переходов. Наличие токов смещения через переход связано только с за­рядными емкостями и не связано с диффузионными. Поэтому в эквивалентных схемах при высоких частотах под С_к и Сэ пони­мают зарядные емкости.

Рассмотрим эмиттерный переход (см. рис. 2.12). Полный ток »миттера будет состоять из двух составляющих:

тока через rэ, связанного с инжекцией зарядов в базу и управ­лением коллекторным переходом;

тока смещения через емкость Сэ, не связанного с инжекцией.

С ростом частоты будет падать емкостное сопротивление С_Э, следовательно, с ростом частоты будет возрастать доля второй доставляющей в полном токе эмиттера и уменьшится, соответ­ственно, первая. В связи с этим коэффициент передачи тока будет уменьшаться. Влияние зарядной емкости коллекторного перехода на его свойства оказывается значительно более сильным. Хотя емкость коллекторного перехода значительно меньше зарядной емкости эмиттерного перехода, активное сопротивление коллекторного пе­рехода может в десятки тысяч раз превосходить сопротивление эмиттерного перехода. Вследствие этого приходится считаться с появлением тока смещения через зарядную емкость коллекторного перехода на частотах значительно меньших, чем в случае эмит­терного перехода.

Если осуществить на выходе транзистора короткое замыкание и пренебречь сопротивлением r_к по сравнению с R_Б, то емкость окажется соединенной параллельно с сопротивлением базы R_Б Постоянная времени такой цепочки называется постоянной вре­мени базы и характеризует инерционность транзистора

Частотные свойства транзистора в схеме включения с ОЭ часто характеризуют граничной частотой коэффициента передачи тока (f_гp или f_т), под которой понимают такое ее значение, когда |h_21Э| = 1.

Для характеристики генераторных транзисторов используют понятие максимальной частоты генерации f_max, которая может быть получена в схеме автогенератора при К_Р=1.

Классификация биполярных транзисторов. Выпускаемые про­мышленностью дискретные биполярные транзисторы классифици­руют обычно по двум параметрам: по мощности и частотным свой­ствам.

По мощности они подразделяются на маломощные (Р_вых≤0,3 Вт), средней мощности (0,3 Вт< Р_вых <1,5 Вт) и мощные (Р_вых >1,5 Вт); по частотным свойствам—на низкочастотные (f_α<0,3 МГц), средней частоты {0,3 МГц<f_α<3 МГц), высокой частоты (3 МГц< f_α <:30 МГц) и сверхвысокой частоты (f_α >30 МГц).