- •Глава 5 биполярные транзисторы
- •5.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы
- •5.1.1. Общие сведения
- •5.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе
- •5.1.3. Влияние режимов работы бт на токи электродов
- •5.2. Электрическая модель биполярного транзистора в статическом режиме (модель Эберса - Молла)
- •5.3. Статические характеристики биполярных транзисторов
- •5.3.1. Схема с общей базой
- •5.3.2. Схема с общим эмиттером
- •5.3.3. Влияние температуры на статические характеристики бт
- •5.3.4. Зависимость коэффициентов передачи тока от электрического режима работы бт
- •5.4. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме
- •5.5. Квазистатический режим биполярного транзистора в усилительном каскаде
- •5.5.1. Графоаналитическое рассмотрение при большом сигнале
- •5.5.2. Биполярный транзистор в квазистатическом режиме как линейный четырехполюсник
- •5.6. Нелинейная и линейная динамические модели биполярного транзистора
- •5.6.1. Нелинейная динамическая модель биполярного транзистора
- •5.6.2. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора
- •5.7. Частотные свойства биполярного транзистора
- •5.7.1. Постановка задачи
- •5.7.2. Зависимость коэффициента инжекции
- •5.7.3. Зависимость коэффициента переноса от частоты
- •5.7.4. Частотная зависимость эффективности коллекторного перехода
- •5.7.5. Частотная зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общей базой
- •5.7.6. Частотная зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером
- •5.7.7. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов
- •5.8. Переходные процессы в биполярном транзисторе и простейшем ключе на его основе
- •5.8.1. Переходные процессы в биполярном транзисторе при скачке входного тока
- •В установившемся режиме
- •5.8.2. Статический режим ключевой схемы на биполярном транзисторе
- •5.8.3. Переходные процессы в простейшем ключе в схеме с оэ
- •5.9. Шумы биполярных транзисторов
5.3. Статические характеристики биполярных транзисторов
Уравнения Эберса-Молла (5.40) могут быть использованы для анализа статического режима БТ и нахождения статических характеристик, так как эти уравнения достаточно хорошо отражают основные особенности БТ при любых сочетаниях напряжений на переходах. Однако надо иметь в виду, что для кремниевых БТ токи IКБО и IЭБО нельзя считать тепловыми, вызванными только концентрацией неосновных носителей в слоях, прилегающих к обедненному слою перехода. Необходимо также учитывать генерацию и рекомбинаций носителей в обедненном слое (см. § 3.5.1), В состоянии равновесия перехода генерационная и рекомбинационная составляющие уравновешиваются, а при обратном включении преобладает ток термогенерации. Кроме того, в кремниевом БТ при обратных напряжениях становится существенным ток утечки, связанный с поверхностными состояниями. Ток утечки зависит от напряжения (ширины перехода) и сравнительно мало от температуры. Существенно также, что уравнения Эберса-Молла не учитывают эффекта Эрли.
Мы не будем приводить идеализированных статических вольт-амперных характеристик, получаемых из уравнений Эберса-Молла. а рассмотрим реальные характеристики, отмечая попутно их отличия от идеализированных.
Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.
5.3.1. Схема с общей базой
Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость IЭ = f(UЭБ) при фиксированных значениях параметра UКБ – напряжения на коллекторном переходе (рис. 5.13).
При UКБ = 0 характеристика подобна ВАХ р-n-перехода. С ростом обратного напряжения UКБ (UКБ < 0, для р-n-р-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх; IЭ растет при выбранном значении UЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (IЭ = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение UЭБ, как показано на рис. 5.7 (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при UКБ < 0 и UЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении UЭБ .
Связь небольших приращений тока ∆IЭ и напряжения ∆UЭБ при UКБ = const в любой точке характеристики учитывается дифференциальным параметром, называемым входным сопротивлением:
(5.41)
Цифры в индексе означают, что оба приращения относятся к входной цепи, а буква указывает на схему включения с ОБ. Влияние изменения UКБ на IЭ учитывается дифференциальным параметром – коэффициентом обратной передачи:
(5.42)
Названия дифференциальных параметров взяты из теории четырехполюсников (см. § 5.4).
Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости IК = f(UКБ) при заданных значениях параметра IЭ (рис. 5.13,6).
Выходная характеристика р-n-р-транзистора при IЭ = 0 и обратном напряжении (UКБ <0) подобна обратной ветви р-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (5.11) IК = IКБО, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор-база.
При IЭ > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в р-n-р-транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при UКБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине (например, точка А' на рис. 5.13,б). Чем больше заданный ток IЭ, тем большее прямое напряжение UКБ требуется для получения IК = 0.
Область в первом квадранте на рис. 5.13,б. где UКБ < 0 (обратное) и параметр IЭ > 0 (что означает прямое напряжение UЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (5.11) IК = α IЭ + IКБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра Iэ. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока а можно считать постоянным, не зависящим от значения UКБ. Следовательно, в идеализированном ВТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (IК = const). Реально же эффект Эрли при росте | UКБ | приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту α. Так как значение α близко к единице, то относительное увеличение α очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно (на рис. 5.13,б не соблюден масштаб).
Наклон выходных характеристик, вызванный эффектом Эрли, учитывается дифференциальным параметрам – выходной проводимостью
(5.43)
Связь приращений коллекторного ∆IК и эмиттерного ∆IЭ токов характеризуется дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера h21Б, который обычно мало отличается от интегрального коэффициента α:
(5.44)