Лекции

			Биполярные транзисторы			71
	IЭ	IK	IK	K	IЭ	Э
			Iб		Iб
	Э
			K		Б
			Б
		IK0	IK*	0	IK*	0
		Iб	IЭ		IK
		Б	Э		K
		а)	б)		в)

Рис. 1.33

В схеме включения транзистора с ОБ (рис. 1.33, а) входным является ток эмиттера, а выходным – ток коллектора. В соответствии с (1.36) ток эмиттера распределяется между базой и коллектором. Если ток IЭ возрастет на IЭ, то возрастут и остальные токи, т.е.

IЭ IЭ IK IK IБ IБ

или

IЭ IK IБ .

(1.39)

В схеме включения транзистора с ОЭ (рис. 1.33, б) входным является ток базы, а выходным – ток коллектора. В схеме включения с ОК (рис. 1.33, в) входная цепь – это цепь базы, а выходная – цепь эмиттера.

Соотношение токов входного и выходного электродов для различных схем включения транзистора определяется соотношениями, приведенными ниже

Схема с ОБ:

IK Iкp IK0 ; Iкp 0IЭ, тогда IK 0IЭ IK0.

(1.40)

Схема с ОЭ:

Известно из (1.40), что IK 0IЭ IK0 и что IЭ IK IБ , то-

гда получаем IK 0 IK IБ IK0			или IK 1 0 0IБ IK0.
Это можно переписать в виде:
IK	0	IБ	1	IK0.
	1 0
			1 0

Введя соответствующие обозначения, можно переписать полученное выражение в виде

72	Полупроводниковые приборы

IK 0 IБ 0 1 IK0,

или

IK 0 IБ IK*

0,

(1.41)

где IK* 0 0 1 IK0.

Схема с ОК:

Известно, что IЭ IK IБ . Подставив значение IK из (1.41),

получим IЭ 0 IБ IK* 0 IБ 1 0 IБ IK* 0, т.е.

IЭ 1 0 IБ IK*

0.

(1.42)

При определении соотношений переменных составляющих токов тепловой ток не учитывается, т.к. он не зависит практически от напряжений между электродами. В результате соотношения переменных составляющих определяются следующим образом:

Схема с ОБ:

	IK				;	(1.43)
	IЭ
Схема с ОЭ:
		IK			;	(1.44)
		IБ
Схема с ОК:
	IЭ		1 .			(1.45)
	IБ

Очевидно, что коэффициенты передачи по переменному току, и (1+ ) являются частотно-зависимыми в силу свойств р-n-пе- реходов.

1.6.5.Статические характеристики транзисторов

Влюбой схеме включения режим транзистора определяется токами и напряжениями на его входе и выходе. Для получения статических характеристик одну из четырех величин выбирают в качестве аргумента, а другую – в качестве функции. Из оставшихся двух величин одну фиксируют, а другую оставляют свободной, она может изменяться в зависимости от аргумента, но на характеристике эти изменения не отражаются. Снимают вольт-амперные ха-

Биполярные транзисторы

73

рактеристики при относительно медленных изменениях тока и напряжения, в связи с чем их называют статическими. В зависимости от того, для какой цепи (входной или выходной) определяются характеристики, они получили соответствующие названия входных или выходных. Характеристики различаются и в зависимости от схемы включения транзистора, однако в связи с тем, что для схемы с ОЭ и ОК они примерно одинаковы, ниже будут рассмотрены лишь варианты схем с ОБ и ОЭ.

Для схемы с ОБ входные характеристики представляют собой

зависимость IЭ f UЭ при UK const				и по виду близки к прямой
ветви вольтамперной характеристики				р-n-перехода. При	подаче
	UK		0 входная характеристика смещается влево и вверх,		т.е. при

UЭ const ток эмиттера IЭ возрастает, как это показано на рис. 1.34.

	IЭ, мА					-10 В
						-1 В
	10					UK=0 В
	5
			0 0,1 0,2 0,3 0,4 UЭ, В
	обр. смещ.

Рис. 1.34

Существует обратная связь, которая возникает из-за сопротивления rб (десятки и сотни ом), образуемого слаболегированной областью (телом) базы. Действительно, если вынести rб за пределы идеального транзистора (рис. 1.35), то при UЭ const напряжение между эмиттером и базой запишется как

Uэб UЭ rбIБ		UЭ rб Iэn Iбp IK0 .				(1.46)
+					–

UЭ	Uэб
	UK
	rб
–	+
	Рис. 1.35

74	Полупроводниковые приборы

С ростом UK 0 несколько растет IK0 и уменьшается

IЭрек. Iбp за счет модуляции коллекторного перехода, т.е. сужения базы. Поэтому из (1.46) следует, что при UЭ const с ростом UK напряжение Uэб возрастает и, как следствие, возрастает IЭ . Кроме

того, при

UK

0

концентрация неосновных носителей в базе на

границе с

коллекторным

переходом практически

равна нулю

К p

UK

e

0

ток эмиттера

p

n

n

T

0 . Поэтому даже при U

Э

IЭ 0 при

UK

0, т.к. есть градиент концентраций дырок в пре-

делах базы. Чтобы ток эмиттера стал равным нулю, на эмиттер надо подать обратное напряжение (режим отсечки).

Выходные характеристики для схемы с ОБ представляют зависимость IK f UK при IЭ const. Характеристика при IЭ 0 является обычной обратной ветвью вольт-амперной характеристики р-n-перехода, и ток коллектора равен IK0. С ростом эмиттерного тока коллекторный ток определяется выражением (1.40), т.е.

IK 0IЭ IK0 (рис. 1.36).

IK, мА

15											15 мА
10
											10 мА
5											IЭ=5 мА
-0,2											IЭ=0
		5				10 15 IK0 |UK|, В

прямое смещение

Рис. 1.36

С ростом UK несколько возрастает IK , т.к. за счет модуляции базы (сужения) уменьшается рекомбинационная составляющая эмиттерного тока и возрастает сквозная – Iкp (растет коэффициент

				Биполярные транзисторы	75
	переноса	Iкp		). Для обеспечения IK 0 при	IЭ 0 необходимо
		Iэp
	сменить полярность UK , т.е. открыть переход. Действительно, при
	UK 0 и IЭ 0		в базе на границе с эмиттерным переходом накап-

ливаются неосновные носители, в пределах самой базы возникает градиент их концентраций, что приводит к образованию IK 0. Чтобы обеспечить IK 0, необходимо поднять концентрацию дырок в базе на границе с коллекторным переходом (т.е. ликвидировать градиент). Поэтому характеристика IK f UK начинается

слева от оси ординат.

Для схемы с ОЭ входные характеристики представляют зависимость IБ f UБ при UK const, качественный ход которых показан на рисунке 1.37.

Iб, мА						UK=0 В
0,2							-5 В
0,1							-10 В
0
IK0
					0,1 0,2 -Uб, В
					Рис. 1.37

Нулевая характеристика при UK 0 есть прямая ветвь вольтамперных характеристик открытых эмиттерного и коллекторного переходов, соединенных параллельно. С ростом UK при UБ const ток базы IБ уменьшается за счет уменьшения рекомбинационной составляющей тока суженной базы (коллекторный переход расширяется). При UБ 0 и UK 0 ток базы образуется неосновными носителями базы и характеристики смещаются вниз, т.е. ток базы меняет свой знак (IK0, а не IK* 0 здесь потому, что цепь базы не разорвана при UБ 0 и ток обратносмещенного коллекторного перехода обеспечивается в основном неосновными носителями базы).

Выходные характеристики для схемы с ОЭ представляют собой зависимость IK f UK при IБ const. При IБ 0 ток кол-

76	Полупроводниковые приборы

лектора определяется лишь тепловой составляющей IK* 0, как показано на рис. 1.38.

IK, мА

10 0,4

0,3

ток осн. нос. прямосм. кол. перехода

5 0,2

	0,1
0					Iб=0
	5	10 15 IK* 0 |UK|, В
	Рис. 1.38

С ростом тока базы IБ соответственно увеличивается и коллекторный ток, т.е. характеристики располагаются все более высоко. Особенностью является факт увеличения коллекторного тока IK с ростом UK при постоянном токе базы IБ . Объясняется это

тем, что с увеличением	UK	за счет модуляции коллекторного пе-
рехода база сужается, т.е. ток IБ			должен бы уменьшиться. Однако
мы по условию поддерживаем			IБ const, что возможно лишь с
увеличением тока эмиттера IЭ ,			т.е. увеличением UБ . Но тогда с
учетом того, что IЭ IK IБ ,			и условия, что IЭ растет, а

IБ const, получаем рост тока коллектора IK . Другой особенностью выходных характеристик при UK 0, но IБ 0 является смена знака тока коллектора IK . Это происходит в связи с тем, что для обеспечения тока базы IБ 0 потенциал базы относительно эмиттера должен быть отрицательным. Коллектор же при UK 0 имеет потенциал, равный потенциалу эмиттера. То есть при этом условии получается, что коллекторный переход смещен в прямом направлении или включен параллельно эмиттерному переходу (как для нулевой входной характеристики (см. рис. 1.37). Ток коллектора при этом, естественно, меняет знак, поскольку обеспечивается иными, чем обычно, носителями заряда. Однако описанный эффект незначителен и практической роли не играет, поэтому в справочниках обычно не приводится.

Биполярные транзисторы

77

1.6.6. Эквивалентные схемы замещения транзисторов

Строятся они с целью отвлечения от постоянных составляющих токов и напряжений, которые в усилительных схемах выполняют вспомогательную роль. При этом эквивалентная схема обладает для переменных токов и напряжений теми же свойствами, т.е. такими же входными и выходными сопротивлениями, коэффициентами передачи напряжения и тока со входа на выход и с выхода на вход, как и реальный транзистор. Составляется эквивалентная схема из линейных элементов электрических цепей (сопротивлений, емкостей, индуктивностей, генераторов тока и напряжения).

По способу построения различают формальные и физические эквивалентные схемы. Формальные строят на основе описания транзистора с помощью уравнений четырехполюсника (см. ниже системы z-, y- и h-параметров). Физические эквивалентные схемы представляют особый интерес, т.к. в них все элементы связаны с внутренними (физическими) параметрами транзистора. Такие схемы замещения создают удобство и наглядность при анализе влияния параметров прибора на показатели схем с транзисторами. Ниже рассмотрим схемы замещения транзисторов с ОБ и ОЭ для переменных составляющих токов и напряжений с учетом использования линейных участков их входных и выходных характеристик, т.е. при условии постоянства параметров транзистора. В этом случае используются так называемые дифференциальные параметры, относящиеся к небольшим приращениям напряжения и тока.

Т-образная схема замещения транзистора с ОБ показана на рисунке 1.39. Она представляет собой сочетание двух контуров: левого, относящегося к входной цепи (эмиттер-база), и правого, относящегося к выходной цепи (коллектор-база). Общей для обоих контуров является цепь базы с сопротивлением rб.

			IЭ
IЭ rэб	UK		rкб	IK
Э	~			K
UЭ		Iб	rб	UK
Cэб			Cкб

Б

Рис. 1.39

78	Полупроводниковые приборы

Приведенная схема характеризуется рядом параметров. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

(включенного в прямом направлении)

	r		dUЭ	при U	K	const.	(1.47)
			dIЭ
	эб

В последнем выражении объемное сопротивление эмиттера не учитывается, т.к. оно весьма мало. Значение rэб лежит в пределах от единиц до десятков ом.

Объемное сопротивление базы – rб. Обычно rб rэб и составляет (100–400) Ом. Это сопротивление базы по переменному току примерно равно сопротивлению базы для постоянного тока rб.

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (включенного в обратном направлении)

	r		dUK	при I	Э	const.	(1.48)
			dIK
	кб

rкб учитывает изменение коллекторного тока с изменением UK вследствие эффекта модуляции базы. Значение rкб лежит в пре-

делах 0,5 1 МОМ.

Эквивалентный источник тока IЭ учитывает транзитную составляющую приращения эмиттерного тока, проходящую через базу в коллектор (Iкp). Этот генератор учитывает усилительные

свойства транзистора.

Источник напряжения UK отражает изменение входного напряжения под действием коллекторного напряжения за счет модуляции базы (см. (1.46)). Числовое выражение коэффициента обратной связи мало (10 4 10 3), поэтому источник UK часто в схемах опускают.

Каждая из емкостей Cэб и Cкб эмиттерного и коллекторного переходов равна сумме барьерной и диффузионной составляющих. Барьерная емкость эмиттерного перехода (как прямосмещенного) больше коллекторной, а диффузионная емкость также больше у эмиттерного перехода. Величины Cэб и Cкб существенно различаются в зависимости от типа транзистора. К примеру, Cэб может со-

Биполярные транзисторы

79

ставлять сотни пикофарад, а Cкб – десятки пикофарад. Несмотря на то, что Cкб Cэб , влияние на работу транзистора в области повышенных частот оказывает именно Cкб , т.к. она шунтирует большое сопротивление rкб .

Дифференциальный коэффициент передачи определяется выражением:

		dIK	при UK const.	(1.49)
		dIЭ

На низких частотах 0 , однако с ростом частоты уменьшается.

Т-образная схема замещения транзистора с ОЭ приведена на рисунке 1.40. Сопротивления rэ и rбэ имеют тот же физический смысл, что и в схеме с ОБ.

		Iб
Iб	rбэ	rкэ IK
Б		K
Uб	IЭ	UK
		rЭ
		Cкэ
		Э

Рис.1.40

Источник напряжения, учитывающий обратную связь, не показан ввиду малости значения коэффициента обратной связи. Сопро-

	тивление	r	rкб	, т.е. меньше в (1+ ) раз, чем в предыдущей
			1
		кэ

схеме. Оно, как и в схеме с ОБ, учитывает изменение коллекторного тока с изменением напряжения UK вследствие эффекта модуляции базы. Следует отметить, что и емкостное сопротивление коллекторного перехода, по сравнению со схемой с ОБ, тоже уменьшается в (1+ ) раз, т. е. сама емкость Cкэ 1 Cкб увеличивается. Это увеличение приводит к тому, что в области повышенных частот влияние Cкэ на фоне Cэб сказывается еще более сильно, именно поэтому в схеме с ОЭ емкость Cэб обычно не учитывают.

80	Полупроводниковые приборы

Дифференциальный коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ определяется так:

		dIK	при UK const.	(1.50)
		dIб

Коэффициент является частотно-зависимым, причем эта зависимость сильнее, чем для в схеме с ОБ (из-за большей Cкэ). Верхняя частота (на которой коэффициент передачи снижается в 2 раз) составляет

f			f	.	(1.51)
			1

Или иными словами, частотные свойства транзистора по схеме с ОЭ хуже, чем в схеме с ОБ, и значительно.

1.6.7. Система h-параметров транзистора

Для оценки транзистора как элемента электрической цепи пользуются четырьмя параметрами, это обусловлено прежде всего наличием входного тока и влиянием выходного коллекторного напряжения на входную цепь. На основании сказанного транзистор рассматривают как активный линейный четырехполюсник (рис. 1.41).

		I1			I2
~			1	3					RН
	U1				U2
			2	4
			Рис. 1.41

Подобное представление возможно при малых по амплитуде переменных сигналах, что обеспечивает незначительные изменения токов и напряжений транзистора в линейной части характеристики вблизи рабочей точки. На рисунке 1.41 показаны направления токов и напряжений, принятые за положительные.

Связь между входными (U1, I1) и выходными (U2,I2) напряжениями и токами четырехполюсника находится в следующем виде:

U1 f1 I1, I2 ;

(1.52)