Г л а в а 2

Физическая модель и статические вольт-амперные характеристики транзисторов

В связи со сложностью процессов постоянные и переменные составляющие токов (напряжений) в транзисторах анализируются раздельно [14]. При расчете сравнительно больших постоянных составляющих используется нелинейная физическая модель Молла-Эберса (рис.2.1,а) и соответствующие уравнения:

, (2.1)

. (2.2)

В модели учтена асимметрия транзистора: при нормальном включении транзистора (когда к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, а к эмиттерному – прямое) через переходы протекают ток эмиттера I_э и ток коллектора , причем коэффициент передачи эмиттерного тока , что связано с частичной рекомбинацией инжектированных эмиттером дырок в базе. Кроме того, через коллекторный переход протекает тепловой ток , зависящий от обратного напряжения U_к. При U_к = 0 ток I₂ обнуляется.

Здесь – тепловой ток эмиттерного перехода при U_э и оборванном коллекторе; – температурный потенциал перехода (при имеем = 0,25 B); Дж/град – постоянная Больцмана; Кл – элементарный заряд, I_ко – обратный ток коллекторного перехода.

По выражениям (2.1), (2.2) можно построить семейство коллекторных (рис. 2.1,б) и эмиттерных (рис. 2.1,в) вольт-амперных характеристик (ВАХ). Первый квадрант рис. 2.1,б соответствует активному режиму транзистора типа p-n-p при , а второй квадрант – режиму насыщения . Для активного режима и формулы (2.1), (2.2) упрощаются

, (2.3)

.

Реальные статические характеристики I_к(U_к) имеют небольшой наклон, который резко увеличивается, когда напряжение приближается к напряжению лавинного пробоя (пунктирные линии на рис. 2.1,б). Расстояние между кривыми при больших токах уменьшается из-за уменьшения коэффициента . При нагреве транзистора кривые смещаются вверх из-за роста тока I_ко.

Эмиттерные ВАХ слабо зависят от коллекторного напряжения, т.е. расположены на малом расстоянии друг от друга (рис. 2.1,в). При нагреве транзистора кривые смещаются влево. При одинаковом эмиттерном токе напряжение для кремниевых транзисторов на 0,30,4 В больше, чем для германиевых. Отличие транзисторной характеристики от диодной заключается в том, что напряжение включает в себя сравнительно малое слагаемое ( = 50200 Ом – сопротивление пассивной области базы).

Для схемы с общим эмиттером (ОЭ) задаются значения тока базы и коллекторного напряжения. Поэтому в качестве ВАХ БТ рассматриваются функции I_к(I_б, U_кэ) и , называемые соответственно семейством выходных (коллекторных) характеристик (рис. 2.1,г) и семейством входных (базовых) характеристик (рис. 2.1,д). Основной особенностью выходных ВАХ при данном включении транзистора является то, что они полностью расположены в первом квадранте. Действительно , т.е. кривые ОЭ получаются путем сдвига кривых схемы с общей базой (ОБ) на величину , возрастающую с увеличением тока . Наклон характеристик в схеме ОЭ значительно больше, а дифференциальное сопротивление , характеризующее этот наклон, эначительно меньше, чем в схеме ОБ. Это объясняется тем, что приращение частично падает на эмиттерном переходе, т.е. вызывает приращение и дополнительное приращение тока I_к. В предпробойной области наклон ВАХ быстро возрастает, причем напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода в схеме ОЭ меньше, чем в схеме ОБ.

Кривые коллекторных характеристик для включения ОЭ менее регулярны, чем для схемы ОБ, они заметно сгущаются при увеличении тока I_к. За счет рекомбинации носителей в эмиттерном переходе входная характеристика транзистора имеет меньший наклон по сравнению с ВАХ идеального диода. Величина этого отклонения зависит от качества эмиттерного перехода, которое характеризуется m-фактором:

где m =1,2 2;